3.01 Adsorpce na aktivním uhlí – co dokáže uhlí(k).

3. Separační metody
3.01 Adsorpce na aktivním uhlí – co dokáže
uhlí(k).
Projekt Trojlístek
úroveň
1–2–3
Adsorpce na aktivním uhlí – co dokáže uhlí(k)
Trojlístek
1. Předmět výuky
Metodika je určena pro vzdělávací obsah vzdělávacího předmětu
Chemie
Chemie.
2. Cílová skupina
Metodika je určena pro žáky 2. stupně ZŠ (8. a 9. třída) a nižší
2. stupeň ZŠ (8. a 9. třída)
ročníky osmiletých gymnázií (tercie a kvarta).
Osmiletá gymnázia (tercie a kvarta)
3. Abstrakt
Po přidání aktivního uhlí do znečištěné vody, důkladném
promíchání a následné filtraci je možné pozorovat adsorpční
účinek uhlí, který se projeví vizuálně odbarvením přefiltrované
vody.
4. Startovní znalosti žáků
Předpokládáme znalosti načerpané v 1. a 2. stupni ZŠ
v předmětech Prvouka, Vlastivěda, Přírodopis, Chemie a rovněž
obecné znalosti jevů každodenního života z oblasti člověk
a příroda. Mezi okruhy zájmu patří problematika základních
chemických látek (voda, aktivní uhlí) a základů separačních
metod.
Co mají žáci znát:
• voda;
• chemické látky, směsi;
• dělící metody (filtrace).
5. Cílové znalosti žáků, nabyté vědomosti, přínos
Experiment přispěje k pochopení zákonitostí složení hmoty
z chemických látek. Žáci se seznámí s přípravou suspenze
a dělením směsi filtrací. Naučí se připravit jednoduchý skládaný
filtr.
Na jednoduchém případě bude demonstrován a vysvětlen
princip procesu adsorpce na tuhé fázi a dále ukázán vliv
parametrů, kterými lze děj ovlivnit – míchání, koncentrace
adsorbentu a doba trvání procesu.
Aktivní uhlí je již tradičně používané adsorpční činidlo. Při čištění
odpadních vod se využívá jeho velké sorpční kapacity pro
odstranění organických látek (barvy, olejové částečky apod.).
Známé je rovněž použití aktivního uhlí v lékařství při střevních
potížích.
Co se žáci dozví:
• Co je chemická látka.
• Formy a vlastnosti aktivního
uhlí.
• Princip adsorpce.
• Co všechno ovlivňuje průběh
(kinetiku) adsorpce.
• Další separační metody.
Trojlístek
podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
2
Adsorpce na aktivním uhlí – co dokáže uhlí(k)
Trojlístek
6. Chemikálie, pomůcky a vybavení
DŮLEŽITÉ:
Co budu potřebovat, co si mám
nachystat, připravit, nakoupit!
Na co nesmím zapomenout!
6. 1 Použité chemikálie
Voda H 2 O
Aktivní uhlí práškové (Silcarbon)
„Nečistoty“ - kofola nebo výluh z červené řepy
(alternativa - malé množství potravinářského barviva)
6.2 Pomůcky a laboratorní vybavení
Kádinka 500 ml
Kádinka 250 ml
Kádinka 100 ml (4 ks)
Laboratorní lžička
Nálevka
Filtrační papír
Laboratorní stojan s kruhem
(volitelně Stříkačkové filtry a injekční stříkačka)
Jako modelovou „znečištěnou“ vodu
můžeme použít kofolu.
6.3 Přístrojové vybavení
Pokud je k dispozici, je při experimentu vhodné použít
elektromagnetické míchadlo. Není ale nezbytně nutné.
7. Časový harmonogram
7. 1 Příprava experimentu
Do doby přípravy experimentu je nutné zahrnout shromáždění
uvedených chemikálií, pomůcek a nádobí. Další fází je rozmíchání
aktivního uhlí ve vodě a pak vlastní adsorpce. Na závěr následuje
filtrace směsi.
Časy:
ČASY:
Shromáždění pomůcek, nádobí a chemikálií odhadujeme na
maximálně 5 minut.
5 minut
7. 2 Realizace experimentu
Realizace jednoho pokusu probíhá v reálném čase.
Časy:
Dobu nutnou k rozmíchání uhlí
odhadujeme na 30 až 60 minut.
a
provedení
adsorpce
Filtraci směsi na závěr experimentu lze odhadnout na 10 minut.
30 – 60 minut
10 minut
Trojlístek
podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
3
Adsorpce na aktivním uhlí – co dokáže uhlí(k)
Trojlístek
8. Laboratorní postup
Experiment se skládá z rozmíchání práškového aktivního uhlí
ve znečištěné vodě, vlastní adsorpce a následné filtrace.
Příprava suspenze:
Jako modelovou „znečištěnou“ vodu můžeme použít kofolu,
výluh z červené řepy či červeného zelí, případně si vyrobit
„barevnou vodu“ rozpuštěním malého množství potravinářského
barviva (koncentrace 100 mg/l) v pitné vodě.
V kádince poté postupně (tzn. po částech, po lžičkách)
rozmícháváme 1 g aktivního uhlí ve 250 ml připravené
„znečištěné“ vody, mícháme lžičkou.
Vlastní experiment:
Adsorpce organické látky na aktivním uhlí probíhá řádově desítky
minut. Proces je možné urychlit mícháním.
Použití magnetického míchadla nám
Máme-li k dispozici magnetické míchadlo, vložíme do vodné pomůže urychlit proces adsorpce.
suspenze s uhlím magnetické míchadélko a na stupnici přístroje
nastavíme střední hodnotu rychlosti otáčení (obvykle je
označena rpm = otáčky za minutu).
Pokud míchadlo nemáme, je vhodné obsah kádinky promíchávat
lžičkou.
Po nějaké době (např. 20 minut) odebereme z kádinky menší
množství suspenze (50 ml), kterou přefiltrujeme přes skládaný
filtrační papír s použitím nálevky do 100 ml kádinky. Totéž
provedeme ještě několikrát (vždy po 10 minutách) a pozorujeme
postupné odbarvování přefiltrované vody.
Pokud bychom kádinku se suspenzí nemíchali vůbec, bude
adsorpce probíhat pomaleji.
Pokud máme dostatek času a nádobí, můžeme vyzkoušet sérii Postup při přípravě skládaného filtru
experimentů s různými koncentracemi aktivního uhlí (např. 1 g,
0,1 g, 0,2 g, 0,3 g) a pak vyhodnotit výsledky, které dostaneme.
Je zřejmé, že větší množství aktivního uhlí je schopné zachytit
více organické látky. Tedy čím více uhlí použijeme, tím bude
vyčištění (odbarvení) vody výraznější.
Velmi užitečnou pomůckou pro filtraci malých množství suspenzí
jsou tzv. stříkačkové filtry, které se nasadí na plastovou injekční
stříkačku a umožní nám snadno a rychle získat menší objemy
filtrátu (10 až 50 ml). Filtry se vyrábějí s různou velikostí pórů,
kterým pak odpovídá jejich barevné rozlišení. Pro náš
experiment jsou vhodné filtry s velikostí pórů 0,8 µm (pokud
budou k dispozici).
Stříkačkové filtry jsou užitečnou
pomůckou pro filtraci malých množství
suspenzí.
Trojlístek
podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
4
Adsorpce na aktivním uhlí – co dokáže uhlí(k)
Trojlístek
9. Princip experimentu
Adsorpce na tuhé fázi je děj, při kterém jsou na povrchu
vhodného porézního materiálu (adsorbentu) zachycovány částice
či molekuly látky vlivem působení fyzikálně-chemických sil.
Množství adsorbované látky závisí na podmínkách procesu: na
koncentraci adsorbující se složky, na tlaku a na teplotě
a pochopitelně na vlastnostech sorpčního činidla. Obecně platí,
že adsorpce na tuhé fázi probíhá rychleji při nižších teplotách.
Rychlost adsorpce lze urychlit mícháním.
Adsorpce probíhá až do ustavení rovnováhy, resp. vysycení
adsorbentu.
Aktivní uhlí je formou grafitu a vyznačuje se velkým vnitřním
povrchem (může být až 1000 m2/g). K výrobě aktivního uhlí se
používají různé suroviny, jako je dřevo, uhlí nebo skořápky
kokosových ořechů.
Aktivní uhlí se tradičně využívá pro odstraňování organických
látek z vody, ale je schopné rovněž sorbovat např. nežádoucí
zápachy.
10. Bezpečnost práce
Aktivní uhlí se vyrábí také ze skořápek
kokosových ořechů.
Kromě dodržování zásad bezpečné práce a hygieny práce je
nutné seznámit se s povahou použitých chemických sloučenin.
V tomto případě je chemickou látkou aktivní uhlí, které nemá
škodlivé účinky na lidské zdraví.
11. Poznámky ke strategii výuky
Experiment je jednoduchý a časově nenáročný. Rovněž se
vyznačuje malou potřebou laboratorního nádobí a nízkou
spotřebou chemikálií.
Doporučujeme individuální provedení pokusu jednotlivými žáky.
Je vhodné používat ochranný oděv – pracovní plášť.
Účinkující chemické sloučeniny:
H 2 O voda (výluh z červené řepy nebo
červeného zelí, kofola);
aktivní uhlí.
Trojlístek
podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
5
Adsorpce na aktivním uhlí – co dokáže uhlí(k)
Trojlístek
12. Přínos
Žáci se seznámí s přípravou suspenze a dělením směsi filtrací. Na
příkladu aktivního uhlí bude vysvětlen princip adsorpce jako
separační operace. Dále bude možné demonstrovat vliv
jednotlivých parametrů, tj. koncentrace a míchání, na průběh
(kinetiku) děje.
Aktivní uhlí je již tradičně používané adsorpční činidlo. Práškové
aktivní uhlí Silcarbon se vyznačuje velkým vnitřním povrchem, je
zdravotně nezávadné a nachází použití při odstraňování
organických látek z vody (barvy, olejové částečky apod.) jako
součást procesů úpravy vody.
13. Fotografie
Postupné odbarvování
adsorpci na aktivním uhlí
vody
Průběh experimentu můžeme dokumentovat pořízením
fotografií. Obrázek 1 znázorňuje časový průběh adsorpce výluhu
červené řepy.
Obr. 1 Časový průběh adsorpce výluhu červeného řepy
Trojlístek
podpora výuky přírodopisu, biologie, fyziky a chemie žáků ve věku 11 až 15 let
6
po