Адсорбционные методы выделения кофеина из водных растворов.

Сравнительные данные выделения кофеина молекулярной адсорбцией и экстракцией хлороформом.

Зависимость концентрации хлороформных растворов кофеина, получающихся при противоточной экстракции его хлороформом из водных растворов, показывает, что состояние равновесия достигается во всех случаях; первый случай – изотерма адсорбции кофеина на применявшемся угле из воды при 17⁰; третий случай показывает, какой концентрации может быть получен хлороформный элюат при десорбции кофеина с угля. При сопоставлении первого случая и третьего случая видно, что применение адсорбционных методов позволяет, особенно при низких концентрациях водных растворов кофеина (0, 02-0, 05 г/100 мл), получать концентрации его в хлороформном растворе значительно большие, чем при прямой экстракции хлороформом водных растворов. Для выделения кофеина адсорбционным методом применялся гранулированный антрацит степени измельчения, отвечающий фракции в пределах 144-256 отверстий на 1 см ². Применявшийся уголь сочетал в себе хорошие адсорбционные качества с достаточной механической прочностью; десорбция из него кофеина была произведена различными растворителями – вода, хлороформ, этиловый спирт, дихлорэтан и смесь хлороформа с дихлорэтаном.

Рассмотрение изотерм адсорбции кофеина из различных растворителей показывает, что хлороформ и дихлорэтан могут быть использованы как десорбирующие агенты. Спирт для этой цели не подходит, поскольку изотерма адсорбции кофеина из экстракта и значительно выше таковых для хлороформа и дихлорэтана. Одно из главных сопутствующих кофеину в чайных экстрактах веществ (таннин) почти не адсорбируется на применявшемся угле, но вследствие присутствия других балластных веществ (смолистые, пектиновые, хлорофилл) и образования пленки из растительных коллоидов вокруг частиц адсорбента адсорбция кофеина несколько снизилась по сравнению с адсорбцией из чистых растворов. Исследование влияния величины рН на адсорбцию кофеина показало, что величина адсорбции из экстракта со значением рН от 3, 8 до 8, 5 остается практически постоянной, несколько увеличиваясь в щелочной среде.

Тема 7 – Динамическая адсорбция и десорбция (2 часа)

Цель: освоить механизм динамической адсорбции и десорбции

Задачи обучения:

- ввести элементы определений динамической адсорбции и десорбции;

- развить навыки определения адсорбции поверхностным слоем жидкости или твёрдого тела;

- освоить навыки использования прибора «Анализатор динамической сорбции паров DVS Advantage».

План проведения занятия:

1. Динамическая адсорбция и десорбция.

2. Типичные изотермы мономолекулярной адсорбции на однородной поверхности.

3. Зона массопереноса или фронт адсорбции.

4. Области применения прибора «Анализатор динамической сорбции паров DVS Advantage».

Формы проведения занятия: разбор занятия проводится методом «Теоретического опроса». При неправильном ответе, правильный ответ разъясняет преподаватель. «Теоретический опрос» проводится с целью выявления основных знаний по контрольным вопросам темы.

Обсуждение теоретического материала проводится в форме интегрированной беседы в парах.

Литература:

1 Государственная фармакопея Республики Казахстан. 1 том. – Алматы: изд-й дом «Жибек жолы», 2008 - 592 с.

2 Майофис Л.С. Химия и технология химико-фармацевтических препаратов. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Медицина, 1964. – 625 с.

3 Альбицкая В.Г., Гинзбург О.Ф., Коляскина З.Н., Купин Б.С., Павлова Л.А., Разумова Н.А., Ралль К.Б., Серкова В.И., Стадничук М.Д. Лабораторные работы по органической химии. Под ред. О.Ф. Гинзбурга, А.А. Петрова. М.: Высш. шк., 1967. – 295 с.

4 Государственная фармакопея СССР. X изд. – М.: Медицина, 1968 - 1078 с.

5 А.Е. Агрономов, Ю.С. Шабаров Лабораторные работы в органическом практикуме. М.: Изд. Московского университета., 1971. – 230 с.

6 Бошкаева А.К. Методы определения никотина в табаке и табачных изделиях. – Алматы, 2008. – 56 с.

Контроль (вопросы):

1. Как влияют параметры на адсорбционную способность?

Какие анализируемые материалы подвергаются анализатору динамической сорбции паров?
Как осуществляется цикл адсорбции?

Методы контроля:

Оцениваются:

- умение формулировать правильные вопросы и ответить правильно на них (25 б);

- анализ теоретического материала по контроль (вопросам) (25 б);

- умение мотивировать знании определений «Динамическая адсорбция» и «Десорбция» (25 б);

- умение конкретизировать примерами (25 б).

ПРИЛОЖЕНИЕ

Задание 1

Провести интегрированную беседу в парах по элементам определений динамической адсорбции и десорбции.

Задание 2

Охарактеризуйте технические параметры прибора DVS Advantage и анализатора динамической сорбции паров. Описать принцип работы.

Адсорбция (от лат. ad — на, при и sorbeo — поглощаю), поглощение количеств вещества из газообразной среды или раствора поверхностным слоем жидкости или твёрдого тела (рисунок 5). Например, если поместить в


Рисунок 5 - Типичные изотермы мономолекулярной адсорбции на однородной поверхности

водный раствор уксусной кислоты кусочек угля, то произойдёт Адсорбция — количество кислоты в растворе уменьшится, молекулы кислоты сконцентрируются на поверхности угля. Адсорбция и абсорбция — поглощение в объёме тела, объединяются общим термином сорбция. Явление Адсорбция стало изучаться со 2-й половины 18 в. (Шееле, 1773), хотя несомненно, что в практической деятельности человечества Адсорбция использовалась с незапамятных времён. Учение об Адсорбции является частью более общей теории многокомпонентных гетерогенных систем, основы которой заложены У. Гиббсом (1876). Явление Адсорбции тесно связано с особыми свойствами вещества в поверхностном слое, например, молекулы, лежащие на поверхности раздела фаз жидкость — пар, втягиваются внутрь жидкости, т. к. испытывают большее притяжение со стороны молекул, находящихся в объёме жидкости, чем со стороны молекул пара, концентрация которых во много раз меньше концентрации жидкости. Это внутреннее притяжение заставляет поверхность сокращаться и количественно характеризуется поверхностным натяжением. По той же причине молекулы какого-либо другого вещества, оказавшиеся вблизи поверхности, притянутся к ней и произойдёт Адсорбция. После Адсорбции внутреннее притяжение частично компенсируется притяжением со стороны адсорбционного слоя и поверхностное натяжение уменьшается. Гиббс вывел формулу, связывающую значение Адсорбции с изменением поверхностного натяжения. Те вещества, Адсорбция которых сильно уменьшает поверхностное натяжение, принято называть поверхностно-активными.
Вещество, на поверхности которого происходит Адсорбция, называется адсорбентом, а поглощаемое из объёмной фазы — адсорбатом. В зависимости от характера взаимодействия между молекулой адсорбата и адсорбентом Адсорбцию принято подразделять на физическую Адсорбцию и хемосорбцию. Менее прочная физическая Адсорбция не сопровождается существенными изменениями молекул адсорбата. Она обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия, которые связывают молекулы в жидкостях и некоторых кристаллах и проявляются в поведении сильно сжатых газов. При хемосорбции молекулы адсорбата и адсорбента образуют химические соединения. Часто Адсорбция обусловлена и физическими и химическими силами, поэтому не существует чёткой границы между физикой Адсорбция и хемосорбцией.
Физически адсорбированные молекулы более или менее свободно перемещаются по поверхности, при этом их свойства часто аналогичны свойствам очень тонкого слоя газа, т. н. двухмерного газа. Они могут собираться группами, образуя слой двухмерной жидкости или двухмерного твёрдого тела. Адсорбированные молекулы рано или поздно покидают поверхность — десорбируются. Время, в течение которого молекула находится на поверхности, называется временем Адсорбции Времена Адсорбция могут колебаться в очень широких пределах. Скоростью Адсорбция (соответственно скоростью десорбции) называется количество молекул, адсорбирующихся (или десорбирующихся) за единицу времени, оба значения величин относят к единице поверхности или массы адсорбента. Скорость хемосорбции, как и скорость любого химического процесса, чаще всего увеличивается с повышением температуры (т. н. активированная Адсорбция). Если скорости Адсорбция и десорбции равны друг другу, то говорят, что установилось адсорбционное равновесие. В состоянии равновесия количество адсорбированных молекул остаётся постоянным сколь угодно долго, если неизменны внешние условия (давление, температура и др.). Адсорбированные молекулы не только совершают движение вдоль поверхности адсорбента, но и колеблются, то приближаясь к поверхности, то удаляясь от неё. Чем выше температура, тем интенсивнее колебательное движение, а стало быть, больше вероятность того, что в процессе таких колебаний связь молекулы с поверхностью будет разорвана и молекула десорбируется. Благодаря этому с ростом температуры уменьшается время Адсорбция и равновесное количество адсорбированных молекул.
С ростом концентрации или давления адсорбата в объёме увеличивается частота попаданий молекул адсорбата на поверхность адсорбента; пропорционально ей возрастает скорость Адсорбция и увеличивается равновесное количество адсорбированных молекул. Кривые зависимости равновесной Адсорбция от концентрации или давления адсорбата при постоянной температуре называются изотермами Адсорбции. Если адсорбат покрывает поверхность слоем толщиной в одну молекулу, Адсорбция называется мономолекулярной. Простейшая изотерма мономолекулярной Адсорбция представляет собой прямую линию, выходящую из начала координат, где на оси абсцисс отложено давление адсорбата Р, а на оси ординат степень заполнения поверхности Q, т. е. доля поверхности, покрытая адсорбированными молекулами. Это — т.н.изотерма Генри:

Q=kP.

Коэффициент пропорциональности k зависит главным образом от температуры и характера взаимодействия адсорбент — адсорбат.
Уравнение Генри справедливо при очень низких степенях заполнения для однородной поверхности. По мере увеличения степени заполнения всё большую роль начинает играть взаимодействие между адсорбированными молекулами и интенсивность их поверхностной подвижности. Если молекулы адсорбата притягиваются друг к другу, то каждая вновь адсорбирующаяся молекула будет испытывать притяжение и адсорбата и молекул, адсорбированных ранее. Поэтому, по мере заполнения поверхности, силы, удерживающие адсорбированную молекулу, будут увеличиваться и условия для Адсорбция будут всё более и более благоприятными. В этом случае с ростом давления изотерма всё круче и круче идёт вверх. Однако по мере заполнения поверхности вновь адсорбирующимися молекулами становится всё труднее найти свободное (не занятое др. молекулами адсорбата) место на поверхности. Поэтому с увеличением давления рост Адсорбция замедляется и степень покрытия стремится к постоянному значению, равному единице (см. кривую 2, которая характерна при отсутствии взаимного притяжения молекул адсорбата). Если действуют оба эти фактора, то получаются вогнуто-выпуклые изотермы.
Выпуклые изотермы часто описывают уравнением Ленгмюра

Здесь а — адсорбционный коэффициент, аналогичный по физическому смыслу константе Генри k. Уравнение Ленгмюра справедливо для мономолекулярной Адсорбция на однородной поверхности, если можно пренебречь притяжением молекул адсорбата между собой и их подвижностью вдоль поверхности.
При дальнейшем увеличении давления происходит заполнение второго, третьего и т. д. слоев, т. е. имеет место полимолекулярная Адсорбция. Если адсорбент имеет узкие поры и смачивается адсорбатом (см. Смачивание), то в порах может произойти конденсация при давлениях более низких, чем давление насыщенного пара адсорбата. Это явление называется капиллярной конденсацией. Поверхность твёрдых адсорбентов чаще всего неоднородна по адсорбционным свойствам: одни участки поверхности адсорбируют лучше, другие — хуже. При малых давлениях преобладает Адсорбция на наиболее активных участках поверхности, с увеличением давления заполняются менее активные участки. Однако, строго говоря, Адсорбция происходит одновременно на всей поверхности, и получаемая на опыте изотерма представляет собой сумму изотерм, каждая из которых соответствует определённому типу поверхности. Благодаря этому экспериментальные изотермы мономолекулярной Адсорбция могут существенно отличаться от кривых, приведённых на рис.
Почти всегда процесс Адсорбции сопровождается выделением тепла, называемой теплотой Адсорбции. Хотя теплота Адсорбции не является единственным фактором, характеризующим прочность Адсорбции, однако чаще всего чем прочнее Адсорбция, тем больше её теплота. Теплота хемосорбции обычно составляет несколько десятков ккал/моль, теплота физической Адсорбция редко превосходит 10 ккал/моль (40 кдж/моль). По мере заполнения неоднородной поверхности теплота Адсорбция обычно уменьшается. При переходе в область полимолекулярной Адсорбция теплота Адсорбция понижается до величины, близкой к теплоте конденсации адсорбата.
Адсорбция играет важную роль при теплообмене между газообразными, жидкими и твёрдыми телами, например, молекулы газа, адсорбируясь на горячей поверхности, приобретают энергию, соответствующую температуре поверхности, и после десорбции сообщают эту энергию другим молекулам газа, нагревая его. Это не единственный, но важный механизм теплообмена.
Адсорбция — один из решающих факторов в стабилизации коллоидных систем (см. Дисперсные системы, Мицелла, Коагуляция) и одна из важнейших стадий реакций в гетерогенных системах, в частности в гетерогенном катализе (см. Топохимические реакции, Катализ). В биологических системах Адсорбция — первая стадия поглощения субмикроскопическими коллоидными структурами, органеллами, клетками и тканями различных веществ из окружающей среды, функционирование биологических мембран, первые этапы взаимодействия ферментов с субстратом, защитные реакции против токсичных веществ, процессы всасывания — всё это связано с Адсорбцией. Многие адсорбенты (активный уголь, каолин, иониты и др.) служат противоядиями, поглощая и удаляя из организма попавшие в желудочно-кишечный тракт вредные вещества. Адсорбция применяется для разделения газовых и жидких смесей, для осушки и очистки газов и жидкостей (например, очистки воздуха в противогазах). Одним из древнейших применений Адсорбция является очистка вина. В науке и технике приобрёл большое значение хроматографический метод анализа, основанный на различной способности компонентов анализируемой смеси к Адсорбции. Адсорбцию используют также для получения и очистки биологически активных веществ — витаминов, ферментов, гормонов, антибиотиков и др.
Динамическая адсорбция

В динамической адсорбции жидкость, содержащая молекулы, которые должны быть отделены, фильтруется через слой гранулированного адсорбента, помещенного в адсорбционную колонну (рисунок 6).

Рисунок 6 -Зона массопереноса

Слой адсорбента в котором осуществляется перенос потока жидкости к адсорбенту адсорбирующихся молекул, называется зоной массопереноса или фронтом адсорбции.

Концентрация адсорбированного вещества от входа до выхода из зоны переноса колеблется от начальной концентрации Со жидкости до концентрации Cs, получаемой после обработки.

В верхней части зоны переноса вещества зависят главным образом:
- от кинетики адсорбции адсорбируемого вещества,
- от термодинамических характеристик протекающей жидкости,
- от линейной скорости на поверхности,
- от типа, формы и размера гранул молекулярного сита,
- от концентрации Co и Cs.

В слое адсорбента фронт адсорбции постоянно перемещается от входа до выхода во время всего периода адсорбции, в конце которого искомое обогащение не гарантируется.

В таком случае необходимо осуществлять регенерацию адсорбента десорбцией адсорбированного вещества. Скорость перемещения фронта адсорбции зависит от коэффициента нагрузки адсорбента адсорбированным веществом и расходомадсорбируемого вещества.

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ

Температура

Адсорбционная способность понижается при увеличении температуры. Адсорбция является экзотермическим процессом. При выделении теплоты снижается адсорбционная способность. Между тем молекулярные сита меньше подвержены этому явлению, нежели другие адсорбенты.

2. Направление адсорбированного вещества (жидкая или газообразная фаза)

Фазовое состояние адсорбируемого вещества влияет на длину зоны массопереноса. В жидкой фазе подвижность адсорбируемых молекул очень мала. Скорость диффузии, а следовательно кинетика адсорбции в жидкости значительно ниже, чем в газовой фазе. Поэтому скорость прохождения жидкости через адсорбент должна быть значительно ниже скорости газа, для того, чтобы длина колонны оказалась в разумных пределах.

Скорость подачи

Скорость подачи жидкости не должна быть слишком большой, чтобы не привести к чрезмерной высоте слоя. Она не должна также быть чрезмерно низкой, но достаточно для обеспечения более или менее равномерного распределения жидкости по слою адсорбента. При этом следует избегать каналов образования. Используемые скорости подачи обычно колеблется в газообразной фазе от 3 до 30 м/мин и в жидкой фазе от 0, 1 до 1 м/мин.

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒