Лабораторна робота № 10 дослідження процесу адсорбції у харчових технологіях

Мета роботи: дослідити процес гібсовської (надлишкової) адсорбції із бінарних розчинів на твердих поверхнях. Побудувати ізотерми і зробити аналіз адсорбції компонентів в залежності від зміни складу розчинних компонентів.

Матеріали і обладнання: активоване чорне або біле вугілля, оцтова кислота концентрацією 0,3 М СН₃СООН, скляні мірні циліндри, мірні скляні стакани або колби на 100 см³, розчин барвника бромфенол синій концентрацією 0,005 г/л, дистильована вода.

Загальні теоретичні положення

Дисперсні системи характеризуються сильно розвиненою поверхнею розподілу фаз ΔG = σЅ > 0. В будь-яких дисперсних системах ΔG прагне до зменшення за рахунок зменшення σ або Ѕ. Адсорбція відноситься до поверхневих явищ, які призводять до спонтанного зменшення σ, тобто ΔG = σЅ < 0.

Адсорбцією називається спонтанне перерозподілення (згущення, концентрування) розчинної речовини із об’єму фази на поверхні розподілу фаз, віднесене до одиниці поверхні. Процес, зворотний адсорбції, називається десорбцією. Речовина, на поверхні якої відбувається адсорбція, називається адсорбентом (як правило, це речовина з більшою щільністю). Речовина, яка може адсорбуватися, називається адсорбтивом, а яка вже адсорбувалася – адсорбатом (як правило, це газоподібні або рідкі речовини).

В залежності від агрегатного стану адсорбенту і адсорбтиву розрізняють адсорбцію на межі тверде тіло-газ (т-г), рідини і газу (р-г). При встановлені рівноваги адсорбція ↔ десорбція кількість адсорбованої речовини у поверхневому шарі залежить від концентрації, тиску і температури.

Адсорбцію виражають в абсолютних і надлишкових величинах. Абсолютная адсорбція (А) – це кількість адсорбату на одиниці поверхні адсорбенту. Вона дорівнює концентрації адсорбату у поверхневому шарі с^s помноженії на товщину цього шару h:

А = c^s · h (1)

Надлишок адсорбату у поверхневому шарі порівняно з його початковою кількістю в цьому шарі характеризує надлишкову або так звану гібсовську адсорбцію (Г). Вона показує, наскільки збільшилась концентрація адсорбату внаслідок адсорбції:

Г = А – сh = Г – N, (2)

де с – рівноважна концентрація абсорбтиву в об’ємі;

N – кількість адсорбату в адсорбційному шарі, коли його концентрація на поверхні відповідає концентрації в об’ємній фазі.

Коли концентрація адсорбату на поверхні адсорбенту значно перевищує його концентрацію у об’ємі, тобто с^s >> с, то величиною N можна знехтувати і вважати, що Г = А.

У випадку адсорбції на межі розподілу рідина-газ і адсорбції на твердих гладких поверхнях величини Г і А визначають відносно одиниці площі межі розподілу фаз, тобто розмірність Г і А буде моль/м². Для твердого і особливо пористого порошкоподібного адсорбенту, який має значну поверхню розподілу фаз, адсорбцію виражають по відношенню до одиниці маси адсорбенту, тобто в цьому випадку величини Г і А мають розмірність моль/кг.

Таким чином, величина адсорбції для i-го компонента буде дорівнювати

Г_i = n / S (моль/м²) або Г_i = n / m (моль/кг), (3)

де n – надлишкове число молей адсорбату i-го компонента на поверхні порівняно з його вмістом у об’ємі;

S – площа поверхні розподілу фаз, м²;

m – маса пористого порошкоподібного адсорбенту, кг.

У випадку адсорбціі одного компонента рівняння (3) спрощується:

Г = n / S або Г = n / m

Залежності кількості адсорбованої речовини від його концентрації у розчині при постійній температурі називають ізотермами адсорбції (рис. 1)

Г

c^s

Рис. 1- Ізотерма адсорбції (Т = const)

Адсорбція на твердих поверхнях має велике практичне значення. Її використовують у харчовій, хімічній, металургійній та інших галузях промисловості. При підвищенні пористості адсорбенту збільшується ступінь вилучення речовини із суміші. У харчовій промисловості процес адсорбції використовують для освітлення соків, сиропів, бульйонів. На практиці використовують більше 200 різних адсорбентів.

Методика виконання роботи

Приготуйте розчин оцтової кислоти концентрацією 0,3 М СН₃СООН. Шляхом розведення вихідного розчину оцтової кислоти дистильованою водою приготуйте кілька розчинів оцтової кислоти різної концентрації відповідно до табл. 1. Візьміть 10 наважок активованого вугілля масою по 1 г, внесіть по одній в кожну колбу або стакан з розчинами оцтової кислоти і залишіть на 45 хв, періодично збовтуючи, для встановлення адсорбційної рівноваги у системі.

Відділіть розчини від адсорбенту фільтруванням, відберіть піпеткою у стаканчики по 10 мл кожного фільтрату і титруйте розчином 0,1 н NaOH, в присутності 0,1 % розчину фенолфталеїну до появи стійкого блідо-рожевого забарвлення розчину.

Отримані дані внесіть в табл.1 і розрахуйте концентрацію оцтової кислоти, що залишилася в розчині після процесу адсорбції на активованому вугіллі, і порівняйте її з вихідною концентрацією розчину.

Таблиця 1

Речовина	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Об’єм дослідної рідини 0,3 М СН3СООН, мл	50	45	40	35	30	25	20	15	10	5
Об’єм дистильованої води, мл	-	5	10	15	20	25	30	35	40	45
Об’єм лугу, що пішов на титрування 10 мл фільтрату, мл
Концентрація оцтової кислоти після адсорбції, г/м3

Розрахуйте гібсовську адсорбцію і побудуйте ізотерму адсорбції в координатах Г₂ = ƒ(х₂)

На початку роти необхідно побудувати калібрувальний графік залежності оптичної щільності від вмісту барвника.

Відповідно до табл. 2, в 10 колбах або стаканчиках приготувати розчини барвника бром феноловий синій різної концентрації, додати по 1 г активованого вугілля і, періодично перемішуючи, витримати протягом 45 хв до встановлення адсорбційної рівноваги.

Таблиця 2

Речовина	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Об’єм дослідної рідини, мл	50	45	40	35	30	25	20	15	10	5
Об’єм дистильованої води, мл	-	5	10	15	20	25	30	35	40	45
Оптична щільність, D
Концентрація оцтової кислоти після адсорбції, г/м3

Після чого фільтруванням необхідно відділити адсорбент (активоване вугілля), а розчини з барвником дослідити шляхом вимірювання оптичної щільності на фотоелектроколориметрі ФЕК-56, використовуючи кювети 10 мм і помаранчевий світлофільтр № 8.

Побудуйте графік залежності оптичної щільності від концентрації барвника. За калібрувальним графіком необхідно визначити вміст барвника, що залишився у розчинах, розрахувати гібсовську адсорбцію і побудувати ізотерму адсорбції в координатах Г₂ = ƒ(х₂).

Звіт про лабораторну роботу

Протокол повинен містити вступ, короткий огляд літератури, мету дослідження, методику проведення роботи, результати дослідів у вигляді таблиць і

графіків. Наприкінці зробиться короткий висновок відносно залежності процесу адсорбції від концентрації адсорбату у розчинах.

Питання для самоконтролю

1. Дайте визначення процесу адсорбції. Які види адсорбції Ви знаєте?

2. Що називають адсорбатом, адсорбтивом, адсорбентом?

3. Наведіть приклади адсорбентів, які використовують у харчовій промисловості.

4. Які рівняння використовуються для опису процесу адсорбції?

5. Які фактори впливають на величину гібсовської адсорбції?

6. Як розрахувати гібсовську адсорбцію із розчину і побудувати ізотерму адсорбції?

7. Чому при деяких харчових отруєннях рекомендують використовувати таблетки активованого вугілля?

Література:

1. Кравченко М.Ф. Теоретичні основи харчових технологій: навч. посіб. / М.Ф. Кравченко, А.В. Антоненко. –К.: Київ. нац. торг.-екон. ун-т, 2011. –516 с.

2. Пивоваров П.П. Теоретичні основи харчових технологій: навч. посіб./ П.П. Пивоваров. – Х.: ДУХТ, 2010. – 410 с.

3. Плахотін В.Я. Теоретичні основи технологій харчових виробництв: навч. посіб./ В.Я. Плахотін, Г.П. Хоміч. – К.: Центр навч. літ., 2006. – 640 с.