3. Separační metody 3.01 Adsorpce na aktivním uhlí co dokáže uhlí(k). Projekt úroveň 1 2 3
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 ročníky osmiletých gymnázií (tercie a kvarta). 2. stupeň ZŠ (8. a 9. třída) 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. 2
6. Chemikálie, pomůcky a vybavení 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) DŮLEŽITÉ: Co budu potřebovat, co si mám nachystat, připravit, nakoupit! Na co nesmím zapomenout! 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: Shromáždění pomůcek, nádobí a chemikálií odhadujeme na maximálně 5 minut. ČASY: 5 minut 7. 2 Realizace experimentu Realizace jednoho pokusu probíhá v reálném čase. Časy: Dobu nutnou k rozmíchání uhlí a provedení adsorpce odhadujeme na 30 až 60 minut. Filtraci směsi na závěr experimentu lze odhadnout na 10 minut. 30 60 minut 10 minut 3
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. Máme-li k dispozici magnetické míchadlo, vložíme do vodné 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 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). Použití magnetického míchadla nám pomůže urychlit proces adsorpce. Postup při přípravě skládaného filtru Stříkačkové filtry jsou užitečnou pomůckou pro filtraci malých množství suspenzí. 4
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 m 2 /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 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. Aktivní uhlí se vyrábí také ze skořápek kokosových ořechů. 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. 5
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 vody po adsorpci na aktivním uhlí Průběh experimentu můžeme dokumentovat pořízením fotografií. Obrázek 1 znázorňuje časový průběh adsorpce výluhu červené řepy. Obr. 1 Časový průběh adsorpce výluhu červeného řepy 6