Лабораторная работа № 5

Определение сорбционных свойств адсорбентов, используемых для очистки сахарсодержащих растворов

Введение

Совершенствование технологии сахарного производства тесно связано с решением проблемы повышения выхода и качества сахара-песка. При этом главной задачей является вывод несахаров из сахарсодержащих растворов.

Одним из направлений решения данной проблемы является их удаление адсорбционными методами. В основе этих методов лежат процессы поглощения несахаров из сахарсодержащих растворов углеродсодержащими адсорбентами (активные угли, сажа, осадок СаСО₃) и ионообменными смолами (аниониты, катиониты).

Вещества, которые адсорбируют на своей поверхности несахара (молекулы, ионы, атомы), принято называть адсорбентами, а адсорбируемые несахара адсорбтивами или адсорбатами.

Несмотря на то, что углеродсодержащие адсорбенты и ионообменные смолы выполняют подобные технологические задачи по извлечению из сахарных растворов тех или иных несахаров, механизм их действия и способы осуществления значительно отличаются. Так, если углеродсодержащие адсорбенты поглощают активными центрами своей развитой поверхности несахара без выделения взамен в раствор других химических веществ, то ионообменные смолы вступают в ионообменные реакции. В результате этих реакций из раствора в ионообменные смолы переходят одни ионы, а из ионообменных смол в сахарсодержащий раствор выделяются другие ионы, но в количествах строго эквивалентных друг другу. Однако между адсорбентами и ионитами нет строгой границы, так как многие адсорбенты обладают свойствами ионитов и адсорбентов.

Наиболее широко адсорбционные процессы практикуются в сахарорафинадном производстве, где основной задачей является выпуск сахара-рафинада более высокого качества, чем обычный сахар-песок, вырабатываемый сахарной промышленностью в соответствии с ГОСТ 21-94. Вместе с этим в настоящее время наработаны также способы использования углеродсодержащих адсорбентов для очистки продуктов свеклосахарного производства. Их применение для обесцвечивания сахарных растворов позволяет дополнительно повысить чистоту сиропа с клеровкой на 0,5-0,7%, уменьшить образование пены и время уваривания утфелей на 15-20%, улучшить качество сахара-песка и повысить его выход в среднем на 0,1% к массе сырья.

При выборе адсорбентов для красящих веществ сахарной и крахмалопаточной промышленности необходимо знать химический состав и технологические свойства сырья. Однако ни одна технологическая задача не может быть успешно решена без учета и знания свойств адсорбентов и адсорбатов.

Цель работы – изучение кинетики адсорбции красящих веществ сахарных растворов на активных углях.

Определение влияния СВ сахарных растворов на кинетику адсорбции красящих веществ на активном порошкообразном угле

Введение

Для адсорбционной очистки сахарсодержащих растворов в сахарном производстве применяют активные гранулированные угли типа АГ и АГС, а также порошковые угли типа карборафин, ОУЛ-А и другие. Имеются также предложения по использованию таких углеродсодержащих сорбентов, как ацетиленовая сажа АД-200, углеродистые волокна, лигниновая мука и мезопористые угли. Эти адсорбенты по сорбционной способности к красящим веществам можно расположить следующим образом: ОУЛ-А – карборафин – ацетиленовая сажа АД-200 – углеродистые волокна – лигниновая мука – мезопористые угли.

Углеродистым адсорбентам свойственна высокая пористость и поэтому они обладают большой адсорбционной поверхностью. Так, например, в 1 г активного гранулированного угля эта поверхность может достигать 500 – 600 м², а в 1 г порошкового угля – до 1400 м².

М.М.Дубинин предложил поры активных углей делить на три группы: микропоры, переходные поры и макропоры. Эффективные радиусы микропор оцениваются в пределах 1,2 – 2,5 нм, переходных – 7×10^-9 – 1,7×10^-8 м и макропор – 10^-7 – 10^-6 м.

Наиболее благоприятными для адсорбции красящих веществ сахарного производства являются переходные поры. Они занимают промежуточное положение между микро – и макропорами. Их эффективные радиусы находятся в пределах от 2 × 10^-9 до 20 × 10^-8 м.

Адсорбционные процессы характеризуются тремя стадиями: внешней и внутренней диффузией адсорбтива и непосредственно его адсорбцией. Стадия внешней диффузии заключается в том, что несахара диффундируют от основной массы растворенного вещества к наружной поверхности адсорбента. В стадии внутренней диффузии этот процесс продолжится внутри порового пространства адсорбента. В третьей стадии осуществляется адсорбция, при которой несахара (красящие вещества) притягиваются к поверхности пор под влиянием межмолекулярного взаимодействия.

Скорость процесса адсорбции определяется стадиями внешней и внутренней диффузии удаляемых из сахарсодержащего раствора несахаров.

Процесс сорбции адсорбирующейся молекулы можно условно разделить на ряд стадий: перенос молекулы из внешнего раствора к поверхности адсорбента (внешняя диффузия), собственно сорбция молекулы на адсорбенте, перенос молекул по порам угля (внутренняя диффузия).

Кинетика процесса адсорбции связана со скоростью диффузии адсорбата в контактирующих фазах и определяет время, в течение которого наступает состояние равновесия в системе «адсорбент - адсорбат».

Скорость диффузии во внешнем растворе определяется свойствами растворителя и растворенных в нем веществ, а скорость внутренней диффузии, в первую очередь, обусловлена доступностью поверхности адсорбента для молекул адсорбата. Как правило, для крупных молекул красящих веществ сахарного производства внутренняя диффузия является лимитирующей стадией всего процесса. В связи с этим одной из главных характеристик пригодности адсорбента к очистке сахарсодержащих растворов является время достижения состояния насыщения.

Активность адсорбента зависит от размера молекул адсорбтива, если размер его пор лимитирует внутреннюю диффузию молекул несахаров. С повышением температуры, вследствие теплового движения молекул, адсорбция уменьшается, поэтому адсорбционное равновесие системы необходимо рассматривать при постоянной температуре.

С увеличением концентрации сухих веществ (СВ) сахарного раствора, а значит и его вязкости, процесс внешней диффузии должен замедляться и увеличиваться время достижения состояния равновесия. Если сахароза не сорбируется активным углем, то увеличение ее концентрации (СВ) приведет к снижению лишь кинетических свойств системы и не повлияет на ее сорбционные свойства. Напротив, сорбируемость сахарозы на активном угле, наряду с ухудшением кинетических свойств, приведет также и к уменьшению величины равновесной адсорбции несахаров (красящих веществ).

Цель анализа – определить адсорбционную способность различных активных углей.

Принцип анализа основывается на определении времени достижения состояния равновесия (насыщения адсорбента красящими веществами) и соответствующей насыщению величины адсорбции красящих веществ в зависимости от концентрации сахарозы. При этом особое внимание следует уделить интервалу СВ в пределах 40-55%.

Реактивы:

- 1,0 н. раствор кислоты (HCl);

- 1,0 н. раствор щелочи (NaOH).

Приборы и материалы:

- рН-метр;

- водяная баня, желательно со встряхивателем;

- колбы вместимостью 250 см³ с обратным холодильником;

- аналитические весы;

- фотоэлектроколориметр или цветомер;

- воронка Бюхнера;

- перлит;

- х/б вата.