소개글
"부경대 흡착"에 대한 내용입니다.
목차
1. 실험 목적
1.1. 흡착 평형정수와 흡착기구 규명
1.2. 초산 수용액의 초산-활성탄 흡착평형 확인
1.3. 아세트산-활성탄 흡착의 Langmuir, Freundlich 흡착등온식 결정
2. 흡착 이론
2.1. 흡착의 정의
2.2. 흡착제와 흡착질
2.3. 물리흡착과 화학흡착
2.4. 흡착과정
2.5. 기상흡착과 액상흡착
3. 흡착에 영향을 미치는 인자
3.1. 표면적과 세공
3.2. 화학적 흡착 산소와 표면
3.3. 입경
3.4. 경도
3.5. pH
3.6. 온도
4. 흡착 등온식
4.1. Henry 흡착등온식
4.2. Freundlich 흡착등온식
4.3. Langmuir 흡착등온식
4.4. BET 흡착등온식
5. 활성탄의 특성
5.1. 활성탄의 원료와 특성
5.2. 활성탄의 형태
5.3. 활성탄의 용도
6. 실험 방법
7. 실험 결과 및 고찰
8. 참고 문헌
본문내용
1. 실험 목적
1.1. 흡착 평형정수와 흡착기구 규명
일정한 농도에서 흡착제의 양을 변화시켜 흡착량을 측정하여 흡착 평형정수와 흡착기구를 규명함으로써 흡착 원리를 이해하고자 하는 것이 이번 실험의 목적 중 하나이다.
흡착 과정은 3단계로 이루어져 있다. 첫 번째 단계는 피흡착질 분자들이 흡착제(활성탄) 외부 표면으로 이동하는 것이고, 두 번째 단계는 피흡착질이 활성탄의 거대세공, 중간세공을 통해 확산하는 것이다. 마지막 세 번째 단계는 확산된 피흡착질이 미세세공 내부표면과 결합하거나 미세 세공에 채워지는 것이다. 보통은 이동 및 확산 단계보다 흡착이 대단히 빨리 이루어지므로 흡착속도를 지배하는 단계는 1, 2단계라고 볼 수 있다.
흡착에는 물리흡착과 화학흡착이 있다. 물리흡착은 주로 van der Waals 힘에 기초한 가역적 흡착이며 흡착질은 고체 표면만 집중하고 고체 내부로 침투하지 않는다. 화학흡착은 고체와 흡착물질 간의 화학작용에 의한 비가역적 흡착이다. 화학흡착은 단분자층에서만 이루어질 수 있으며 활성화 에너지를 필요로 하기 때문에 비교적 느리게 이루어진다.
활성탄은 일반적으로 작은 펠릿 또는 분말의 흑연 격자가 있는 미세 결정으로 이루어진 매우 다공성의 무정형 고체이다. 활성탄의 원료는 주로 식물계의 목재, 야자각과 광물계의 갈탄, 유연탄, 역청탄, 무연탄 등이 사용된다. 이들은 무정형의 탄소 물질이 주성분이며 탄화와 활성화 과정을 거치면서 분자 크기 정도의 미세공이 발달하여 흡착능력이 크게 향상된다.
일정한 기간 동안 용질이 거동한 후 활성탄의 흡착은 평형에 도달하게 된다. 이때 활성탄의 최대 흡착량은 활성탄의 내부 표면적, 세공 구조, 표면 화학 등의 흡착제 특성과 분자의 화학적 성질, 분자 크기, 친수성, 극성 등의 피흡착질 특성에 의해 결정된다. 또한 용질 농도, 온도, pH 등의 물리화학적 조건에도 영향을 받는다.활성탄의 흡착에 영향을 주는 주요 요인으로는 표면적과 세공, 화학적으로 흡착된 산소와 표면, 입자 크기, 경도, pH, 온도 등이 있다. 우선 표면적과 세공은 흡착이 표면 현상이므로 비표면적이 클수록 흡착능력이 크다. 활성탄의 세공은 탄소 고리의 완전한 층을 연소시켜 형성되며 세공벽면에 흡착점이 존재한다.
화학적으로 흡착된 산소와 표면은 활성탄의 흡착 특성에 영향을 미친다. 산소가 많이 포함될수록 극성이 커져 수계의 유기물 흡착능력이 감소한다고 보고되었다. 입자 크기는 흡착 속도에 영향을 주는데, 입경이 작을수록 흡착 속도가 빨라진다. 그러나 평형 흡착량은 입경과 무관하다고 알려져 있다. 경도는 활성탄 컬럼의 효율에 큰 영향을 미치므로 중요한 요인이다. 산과 염기의 농도인 pH는 흡착질의 이온화와 극성에 따라 흡착량을 변화시킨다. 일반적으로 유기물 흡착은 pH가 낮을수록 증가한다. 온도 또한 흡착량에 영향을 주는데, 온도가 감소할수록 흡착량이 증가한다.
1.2. 초산 수용액의 초산-활성탄 흡착평형 확인
식초산수용액에서 초산이 활성탄에 흡착되어 초산수용액과 평형에 있을 때의 용액의 농도와 흡착된 초산의 양 사이에 평형관계가 성립하는 것을 확인하는 것이다.
이를 위해 일정한 농도의 초산 수용액에 활성탄의 양을 변화시켜 흡착량을 측정하였다. 활성탄의 양이 0.1g, 0.2g, 0.3g, 0.4g, 0.5g인 5개의 삼각플라스크에 각각 50mL의 0.1N 초산 수용액을 넣어 항온조에서 1시간 동안 흡착 시켰다. 그 후 각 용액에서 20mL씩 채취하여 페놀프탈레인 지시약을 사용하여 0.05N NaOH로 중화 적정하였다.
실험 결과, 활성탄의 양이 증가할수록 NaOH의 적정량이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 초산이 활성탄에 흡착됨에 따라 용액 내 초산의 농도가 감소하였기 때문이다. 또한 흡착량 q를 계산한 결과, 활성탄의 양이 증가할수록 흡착량 q가 증가하는 것으로 나타났다.
이를 통해 식초산수용액에서 초산이 활성탄에 흡착되어 초산수용액과 평형에 있을 때의 용액의 농도와 흡착된 초산의 양 사이에 평형관계가 성립함을 확인할 수 있었다. 즉, 활성탄에 의한 초산의 흡착은 흡착평형에 도달한다는 것을 알 수 있었다.
1.3. 아세트산-활성탄 흡착의 Langmuir, Freundlich 흡착등온식 결정
수용액으로부터 아세트산이 활성탄에 흡착될 때의 Langmuir, Freundlich 흡착등온식을 결정하는 것이 실험 목적 중 하나이다. 흡착은 어떤 물질이 주로 고체표면에 모이는 현상으로, 경계면에서 그 물질의 농도가 증가하는 것을 말한다. 이번 실험에서는 활성탄을 흡착제로 사용하였다.
Langmuir의 흡착등온식은 고체 표면에 기체 분자나 원자가 흡착할 수 있는 특정한 흡착점이 존재하며, 이 흡착점이 다 채워진 최대 흡착에서 단분자종에 대응하는 흡착 에너지는 일정하고 흡착된 용질 사이에는 어떠한 분자 상호작용이 없다는 가정에서 유도되었다. 이 식은 저농도에서는 흡착량이 농도에 비례하고, 고농도에서는 최대 흡착량에 접근하는 형태를 나타낸다. Langmuir 흡착등온식은 다음과 같이 표현된다.
{C} over {q} = {1} over {q _{m} {b}} + {C} over {q _{m}}
여기서 q는 흡착제의 무게당 흡착된 용질의 양, C는 평형 농도, q _{m}은 최대 흡착량, b는 흡착 에너지와 관련된 상수이다. 이 식의 직선화를 통해 q _{m}과 b를 구할 수 있다.
한편, Freundlich의 흡착등온식은 경험식으로, 특정 온도 범위에서 흡착 평형실험값이 비교적 잘 성립한다. 이 식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
q = KC ^{{1} over {n}}
여기서 q는 흡착제의 단위 무게당 흡착된 용질의 질량, C는 평형 농도, K와 n은 상수이다. 이 식을 대수 형태로 변형하면 직선식을 얻을 수 있으며, 기울기와 절편을 통해 n과 K를 구할 수 있다. 일반적으로 n값은 1보다 크며, 1/n값이 0.1~0.5 범위이면 흡착이 ...
참고 자료
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화학공학실험 강의노트 실험4 흡착
http://chemical.hanbat.ac.kr/korean/files/adsorption_and_ion_exchange_technology.pdf
http://www.wikipedia.org
http://blog.daum.net/koreacjb/6272529
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