Kémia | Tanulmányok, esszék » Kationcserélő gyanta ioncserélő kapacitásának meghatározása

T1. Laboratóriumi gyakorlat KATIONCSERÉLŐ GYANTA IONCSERÉLŐ KAPACITÁSÁNAK MEGHATÁROZÁSA Ioncserének azt a heterogén kémiai folyamatot nevezzük, amelyben a különböző fázisban - általában szilárd- és folyadékfázisban -lévő, azonos töltésű ionok helyet cserélnek. Ioncserélők az olyan szilárd halmazállapotú anyagok, amelyek elektrolitból pozitív, vagy negatív ionokat képesek megkötni és ugyanakkor azokkal egyenértékű, de más anyagi minőségű ionokat az oldatba juttatni. Az ioncserélő anyag minőségétől függően anion- és kationcserélő anyagokat különböztetünk meg. Ioncserére képes anyagok a természetben is előfordulnak. Ilyen szervetlen anyag pl. a zeolit és a bentonit Az ipari és laboratóriumi célokra alkalmas anyagokat mesterségesen, műgyanta alapú szerves polimerekből állítják elő, és a szintézis során ioncserére képes, aktív csoportokat (anionokat, vagy kationokat) tartalmazó, térhálós vázú termék

alakul ki. A < 1 mm átmérőjű, laza szerkezetű műgyanta gömbök szerkezetét vázlatosan a T1.1 ábra szemlélteti T1.1 ábra: Ioncserélő szemcse vázlatos szerkezete Az ioncserélő működése során bizonyos ionokat megköt, de a lecserélt ionokat tartalmazó tömény oldattal, fordított irányú folyamatban a gyanta regenerálható. Az ioncsere folyamat tehát megfordítható és egyensúlyra vezető, heterogén kémiai reakció, amit pl. hidrogénformájú gyanta és K+ kation esetén az alábbi reakcióegyenlettel adhatunk meg: R―K + H+ . R―H + K+ ← Anioncserélő gyanta esetén pl. hidroxidformájú gyanta és A- anion közötti ioncsere folyamat a R―A + OHR―OH + A- ← reakcióegyenlettel fejezhető ki. http://www.uni-miskolchu/~fkmbader/ 1 Az egyenletben R―H a hidrogénformában, R―OH pedig a hidroxidformában lévő ioncserélő molekulát, a R―K a K+–iont megkötve tartalmazó ioncserélő gyanta molekulát, R―A pedig az A--iont

megkötve tartalmazó ioncserélő gyanta molekulát jelenti. A fenti reakciókat tekinthetjük úgy, mint megoszlási folyamatokat, amelyekben a B anyag (kation, K+, vagy anion, A-) megoszlik a folyékony oldat (1. fázis) és a szilárd gyanta (2 fázis) között: B(2) B(1) ← Egyensúly kialakulása esetén a B komponens kémiai potenciálja a két fázisban egyenlővé válik, állandó hőmérsékleten érvényes lesz, hogy: µ B(1) = µ B(2) , aB(2) ∆µ Bo(12) ln (1) = = állandó , RT aB vagyis a B(2) a B(1) = K 12 szintén állandó. K12 a megoszlási egyensúlyi állandó Ugyanezeket a reakciókat tekinthetjük heterogén folyamatoknak, amelyekre nézve az egyensúlyi állandó, pl. kationcsere esetén – az aktivitásokkal, ill. a vizes fázisban a kation és a hidrogénion koncentrációjával – az alábbi módon írható fel: a R −K a H + a R −K cH + Ka = ≈ = állandó . a R −H a K + a R −H c K + Adott ioncserélő gyanta és adott kation esetén,

állandó hőmérsékleten az egyensúlyi állandó a rendszerre jellemző konstans. Ha megnöveljük a rendszer vizes fázisában a hidrogénion koncentrációt (nő a számláló), akkor a tört nevezőjében lévő tényezőknek is növekedniük kell, hogy állandó maradjon a tört értéke. Ez úgy lehetséges, hogy megnő a vizes fázisban a kation koncentráció. Ez viszont akkor következhet be, ha az ioncserélő gyanta kationjai jutnak az oldatba, tehát lecsökken az aR-K és megnő az aR-H értéke. E savazási művelettel a kationcserélő gyantát hidrogénformába visszük, azaz a gyantát regeneráljuk. Az ioncsere műveletben a fordított irányú folyamat megy végbe Az ioncserélő gyantáknak az ioncserélő képességét a fajlagos ioncserélő kapacitással (qs) jellemezzük. Ez megadja az egységnyi tömegű, vagy térfogatú gyanta által adott körülmények között maximálisan lecserélhető kation, vagy anion kémiai anyagmennyiségét mmol/g, vagy mmol/cm3

egységben. Meghatározható pl. sav-bázis titrálási módszerrel, mind a kationcserélő, mind pedig az anioncserélő gyanta esetén. Az ioncserés folyamatokat általában ioncserélő gyantát tartalmazó oszlopban végezzük. Az ioncserélő oszlopnak az ioncserélő képességét az oszlop áttörési kapacitásával (Qb) jellemezzük, ami az ioncserélő oszlopba http://www.uni-miskolchu/~fkmbader/ 2 töltött gyanta ioncserélő kapacitása mmol egységben, az oszlopon átfolyó lecserélendő ion megjelenéséig, az ún. áttörésig Az oszlopban lévő ioncserélő gyanta tömegének és térfogatának ismeretében kiszámítható az oszlop fajlagos áttörési kapacitása (qb) mmol/g, vagy mmol/cm3 egységben. A fajlagos áttörési kapacitás mindig kisebb, mint az oszlopon lévő gyanta fajlagos ioncserélő kapacitása, egyrészt, mert az áttörési kapacitás az áramlási viszonyoktól is függ (az oszlopban a folyadék áramlási frontja nem sík), másrészt

mert az ioncsere időigényes folyamat. A mérési feladat: 1. Határozza meg a kationcserélő oszlop áttörési kapacitását! 2. Határozza meg a kationcserélő gyanta ioncserélő kapacitását! A gyakorlat kivitelezése: Egy kationcserélő gyantával töltött oszlop áttörési kapacitását a T1.2 ábrán látható készülékkel végezzük. Az ioncserélő oszlopban ismert térfogatú, hidrogénformában lévő, kationcserélő műgyanta töltet (b) van. Az oldatot az ioncserélő oszlopra választótölcsérből (a) csepegtetve adagoljuk, az eluátum összegyűjtésére mérőhengert (f) helyezünk a túlfolyó alá. b G T1.2 ábra: Ioncserélő gyanta vizsgálatára szolgáló készülék http://www.uni-miskolchu/~fkmbader/ 3 A kifolyócsőben – az ott átfolyó folyadék elektromos vezetésének (G) folyamatos mérésére – két Pt-elektród van beépítve. Ennek segítségével tudjuk az ioncsere folyamatot az idő függvényében nyomon követni. A vizes

fázisban bekövetkező ioncsere során ugyanis – az ionok eltérő ionmozgékonysága miatt – ugrásszerűen változik az oldat elektromos vezetése. A választótölcsérbe 50 cm3 desztillált vizet töltünk és a mérést ennek csepegtetve történő adagolásával kezdjük, az oszlopon maradt savmaradék eltávolítása céljából, közben 10 cm3-enként a vezetésmérő készüléken leolvassuk és feljegyezzük az értékeket. Ezután a választótölcsért a lecserélendő kationt tartalmazó sóoldattal töltjük fel és a csap nyitásával elindítjuk az oldat csepegtetését. A mérőhengerbe történő 5-5 cm3 oldat átfolyása után a vezetés értékeket feljegyezzük. Az elektromos vezetés eleinte – az oszlop holt térfogatának megfelelően – a desztillált vízre jellemző értéket mutatja, majd az ioncsere következtében a sóoldat anionjának megfelelő sav távozván az oszlopról, a vezetés nagyságrendekkel nagyobb értékre nő és ezen az értéken

marad mindaddig, az oszlopra jellemző áttörési kapacitásnak megfelelő mennyiségű kation le nem cserélődött. (T13 ábra) Áttörés G, mS ∆V V, cm3 deszt. víz vizsgált oldat deszt. víz HCl-oldat deszt víz T1.3 ábra: Az elektromos vezetés változása a vizsgálat során Az áttörést követően a vezetés csökken kissé, és a sóoldat vezetésének megfelelő értéknél állandósul. Ez azt jelzi, hogy a sóoldat ezt követően már változatlan összetétellel halad át az oszlopon. Ezután a gyantát ismét hidrogénformára alakítjuk. 50 cm3 desztillált vizet, majd 50 cm3 1 mol/dm3 koncentrációjú HCl-oldatot juttatunk át az oszlopon. A vezetésértékeket folyamatosan 10-10 cm3 oldat áthaladása után továbbra is feljegyezzük. A víz és a sósavoldat hatására az elektromos vezetés lecsökken, majd az 1 mólos sósavnak megfelelő értékre növekszik, miután a teljes kationt a http://www.uni-miskolchu/~fkmbader/ 4 tömény sav eluálta az

oszlopról, a gyanta pedig hidrogénformává alakult. Legvégül a gyantaszemcsék között maradt sav kimosására, eltávolítására 50 cm3 desztillált vizet juttatunk az oszlopon keresztül. A kationcserélő gyanta ioncserélő kapacitását (Qs) és fajlagos ioncserélő kapacitását (qs) sav-bázis titrálással határozzuk meg. Hidrogénformában lévő gyanta 5 g-ját erlenmayer-lombikba mérjük, és 50 cm3 1 mol/dm3-es NaCloldatot töltünk rá. 5 percig kevergetjük majd a lombik tartalmát szűrőpapírra öntjük, és a szűrletet titráló lombikba gyűjtjük. A szűrőpapíron maradt gyantát desztillált vízzel mossuk, majd az összegyűjtött szűrletet 1 mol/dm3-es NaOHoldattal megtitráljuk. Az áttörési kapacitás számításához megrajzoljuk az ioncsere művelet során az elektromos vezetés változását az oszlopon áthaladt oldattérfogat függvényében. Megszerkesztjük az áttörési kapacitást jellemző ∆V oldattérfogatot a T1.3 ábrán

bemutatott módon A vizsgált oldat koncentrációjának az ismeretében kiszámítjuk az oszlop áttörési kapacitását, a gyanta tömegének és térfogatának ismeretében pedig a fajlagos áttörési kapacitásokat. A titrálás során fogyott mérőoldat térfogatából és a koncentrációjából, valamint a vizsgált oszlopban lévő gyanta tömegének ismeretében kiszámítjuk az oszlopban lévő töltet ioncsere kapacitását és a gyanta fajlagos ioncserélő kapacitásait. http://www.uni-miskolchu/~fkmbader/ 5 T1. Laboratóriumi gyakorlat Név: . Tcs: Dátum: . KATIONCSERÉLŐ GYANTA IONCSERÉLŐ KAPACITÁSÁNAK MEGHATÁROZÁSA Észlelési- és eredménylap 1. KISÉRLETI ADATOK Az oszlop áttörési kapacitásának meghatározása Az ioncserélő gyanta minősége: . Az ioncserélő gyanta tömege: mgy = . g ρgy = 0,80 g/cm3 látszólagos sűrűsége: Vgy = . cm3 térfogata: A vizsgált oldat és koncentrációja: c = . mol/dm3 Oldattérfogat és

elektromos vezetés értékek 1. Desztillált víz adagolás V G 3 cm mS 2. Oldat adagolás V G 3 cm mS 3. Desztillált víz adagolás V G 3 cm mS http://www.uni-miskolchu/~fkmbader/ 4. HCl-oldat adagolás V G 3 cm mS 5. Desztillált víz adagolás V G 3 cm mS 6 Az ioncserélő kapacitás vizsgálata Az ioncserélő gyanta tömege: 5,0 g A NaCl-oldat koncentrációja: cNaCl = .mol/dm3 A NaOH-oldat koncentrációja: cNaOH = .mol/dm3 A titrálásra fogyott NaOH-oldat térfogata: VNaOH = .cm3 2. SZÁMÍTOTT ADATOK A diagramról leolvasott áttörési oldattérfogat: ∆V = . cm3 Az oszlop áttörési kapacitása: Qb = c∆V = Az oszlop fajlagos áttörési kapacitása: qb = Qb/mgy = qb = Qb/Vgy = Az oszlop töltetének ioncsere kapacitása: Qs = A gyanta fajlagos ioncsere kapacitása: mgy cNaOHVNaOH = 5 Qs qs = = mgy qs = Qs = Vgy Melléklet: 1 db elektromos vezetés - térfogat diagram http://www.uni-miskolchu/~fkmbader/ 7 T1. Laboratóriumi gyakorlat,

kiegészítés KATIONCSERÉLŐ GYANTA IONCSERÉLŐ KAPACITÁSÁNAK MEGHATÁROZÁSA A mérési feladat: 1. Határozza meg a kationcserélő oszlop áttörési kapacitását! 2. Határozza meg a kationcserélő gyanta ioncserélő kapacitását! Az oszlop áttörési kapacitásának meghatározása A méréshez használt ioncserélő oszlop ismert tömegű kationcserélő gyantát tartalmaz. A gyanta sűrűségének ismeretében kiszámítjuk az oszlop töltetének a térfogatát. Megrajzoljuk a kísérleti adatok alapján az elektromos vezetés változását a gyantára juttatott folyadékok térfogata függvényében. A diagram első részét szemlélteti a T1.1 ábra Az 50 cm3 vizes átmosás során az elektromos vezetés a desztillált vízre jellemző értéknél állandósul (G, víz). A vizsgált kationt tartalmazó oldat adagolását megkezdve, nem észleljük azonnal a vezetés változását, de néhány cm3 oldat áthaladása után a vezetés ugrásszerűen megnő és az

ioncsere következtében keletkező savtartalmú oldat elektromos vezetésének megfelelő értéknél (G, sav) állandósul. Az állandósult érték egy adott mennyiségű oldat áthaladása után csökkeni kezd (Áttörés) és a sóoldat elektromos vezetésének megfelelő értéken (G, oldat) ismét állandósul. G, mS Áttörés G, sav G, oldat ∆V G, víz V, cm3 deszt. víz vizsgált oldat T1.1 ábra: Az elektromos vezetés változása a gyantán áthaladt folyadék térfogatának függvényében http://www.uni-miskolchu/~fkmbader/ 8 Az ioncserélő oszlop áttörési kapacitásának számításához grafikus szerkesztéssel meg kell állapítani az ábrán látható ∆V (cm3) oldat térfogatot, amelynél az elektromos vezetés a savra jellemző állandó érték. Ismerve a vizsgált sóoldat koncentrációját (c, mol/dm3), az oszlop áttörési kapacitása mmol egységben a Qb = c∆V, összefüggéssel számítható ki. Az oszlop fajlagos áttörési

kapacitását a qb = Qb/mgy kifejezéssel, a gyanta tömegegységére, a qb = Qb/Vgy kifejezéssel pedig térfogategységére számíthatjuk ki. A gyanta ioncserélő kapacitás meghatározása A gyanta ioncserélő kapacitásának meghatározásához a vizsgálat során 5 g, hidrogénformában lévő, desztillált vízzel savmentesre mosott ioncserélő gyantát feleslegben lévő, Na+-iont tartalmazó sóoldattal kezeltünk. A feleslegben lévő sóoldat biztosítja azt, hogy a gyanta teljes H+-ion tartalma lecserélődjék Na+ionra, azaz a vizes fázisba jutva sav képződjék, s azt lúggal megtitrálhassuk. A gyantára öntött oldatot leszűrjük, és a szűrletet 1 mol/dm3 koncentrációjú NaOH-oldattal megtitráljuk. A gyanta ioncsere kapacitását mmol egységben az oszlopban lévő gyanta tömegének (mgy) és a fogyott NaOH-oldat térfogatának mgy cNaOHVNaOH összefüggéssel számítjuk ki. A (VNaOH) ismeretében a Qs = 5 Qs gyanta fajlagos ioncsere kapacitását

tömegegységre vonatkoztatva a qs = , mgy térfogategységre vonatkoztatva pedig a qs = http://www.uni-miskolchu/~fkmbader/ Qs kifejezéssel számítjuk ki. Vgy 9