흡착 실험결과 레포트 (예비포함)

본문내용

data만 가지고 실험결과를 얻어도 되었을 것이다. 그렇지만 이 보고서에서 data처리하는 과정에 있어서는 32분을 기준으로 했음을 밝힌다.
(sample의 양이 너무 적어 실험data의 오차가 클수도 있을거라 예상했기에)
그리하여 지금까지의 실험을 통해 32분 동안 (초반1번을 제외하고) 5분 간격으로 sample을 채취하여 총 6개의 sample data를 얻을 수 있었다. data를 기반으로 <실험 결과>에 graph를 구해 보았고, 초반부분의 기울기를 제외하고 본다면 이론과 비슷한 형태의 graph를 얻을 수 있었다. 각 점을 이은 꺾은선 graph는 사각형의 면적을 구하는데 어려움이 있고, 적분을 사용하기 위해 2차 다항식의 추세선을 구하였다.
흡착된 용질의 총량을 구하기 위해 0~32까지의 적분구간을 사용하면 254분에 달하는 흡착 시간이 필요하지만, 우리가 구하고자 하는 분기점까지의 흡착 시간은 고작 0.8분이었고, 총 용량의 약 3퍼센트를 차지하고 있다. 이를 통해 29cm의 활성탄 길이에서 분기점까지 사용된 길이는 0.91cm 정도로써, 대부분의 층 길이가 사용되지 않았음을 알 수 있었다.
전반적으로 실험 과정에서 발생하는 여러 오차요인이 궁극적으로 얻고자 하는 결과 값에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 실험 과정을 정확히 해내는 능력도 중요하지만, 이와 더불어 실험자체에 집중할 수 있는 주변 실험환경이라 생각한다. 주변 환경에서 주어지는 오차의 원인도 불가피하게 존재하리라 생각하기에, 실험에 필요한 이상적인 조건을 설정하는 것도 굉장히 중요할 것이다. 아울러, 사전에 실험에 필요한 주어진 이론과 주의사항 등을 숙지하여 온다면 완벽에 가까운 data를 얻어내 실험의 목적을 이룰 수 있을 것이라 판단된다.
11.연습문제
(1) 물리 흡착과 화학 흡착을 비교 설명하여라.
1.물리 흡착:
-물리적인 힘에 의하여 기체 분자가 고체 표면에 달라붙는 현상이며, 화학흡착에 비하여 흡착력이 약하고 흡착열이 적다. 활성탄의 기공을 이용한다. 표면과 흡착질 사이에 Van der Waals 상호작용이 미치는 흡착이며, 분자구조의 변화가 거의 없고 전자이동도 없다. 어느 물질사이에서도 가능하며, 표면과 거리가 멀고 안정화 에너지가 높다. 탈착 시에는 흡착물질과 동일한 물질로 탈착된다.
2.화학 흡착:
-보통의 화학 결합처럼 고체의 표면과 화학결합을 하여 흡착되는 현상이며, 흡착력이 강하고 물리 흡착보다 흡착열이 높다. 활성탄에 화학처리를 한 후 건조시켜 물리적 작용이 아닌 화학적 작용을 거친다. 흡착한 물질 사이에 전자의 이동이 있으며, 특정 물질 간에서만 가능하다. 안정화 에너지가 낮고, 탈착이 어려우며 탈착 시에는 흡착시와 다른 물질로 탈착된다.
(2) 흡착평형의 표현에 사용되는 다음 식에 대해 조사하여라.
① Langmuir형 흡착식
이 식은 다음의 가정에 입각해서 얻어진다.
흡착은 단분자층 덮임률 이상으로 일어날 수 없다.
모든 흡착 자리는 동등하고 표면은 균일하다.
흡착질 분자는 이웃자리가 이미 차지되었건 비어있건
전혀 그 영향을 받지 않는다.
위의 가정은 위의 식의 동적 평형이 이루어지며 흡착과 탈착의 속도 상수는 ka 와 kd로 나타낸다. 표면상의 전체 자리수를 N이라고 하면 빈 자리수는 N(1-Θ)가 되는데 표면 덮임률의 변화 속도는 A의 부분압력 p와 이 빈 자리수에 비례할 것이다.
한편 탈착에 기인하는 Θ의 변화율은 흡착종의 수 NΘ에 비례한다.
평형에서는 이 두 속도가 같으며 그리하여 Θ에 관해서 풀면 다음과 같은 Langmuir식을 얻을 수 있다.
② Freundlich형 흡착식
Langmuir 흡착식의 경우 고체 표면이 균일하다는 가정에서 출발한다. 그러나 대부분의 고체 표면은 균일하지 못하므로 흡착된 분자 사이에 상호작용이 전혀 없다는 것은 비현실적이다. 따라서 실험 결과를 나타내는 데에는 Freundlich 흡착 등온식이 많이 사용된다. 원래 Freundlich 등온식은 실험식으로 제안되었으나 Langmuir 흡착 등온식에 미분 흡착열이 표면의 덮임 정도에 따라 지수적으로 감소한다는 내용을 도입하면 이론적으로도 유도된다. 농도 c에서 흡착량을 W라 하면, Freundlich 등온식은 다음과 같이 나타낸다.
W=bcn (단, 0 여기에서 b와 n은 실험에 의하여 결정되는 상수이다. n=1이면 흡착량은 농도에 따라 선형적으로 증가하며 n이 0에 가까워지면 흡착량이 일정한 값을 보이는 Langmuir 등온선에 가까워진다. 이와같이 Freundlich 등온선은 상수값에 따라 선형에서부터 Langmuir형에 이르는 다양한 형태로 얻어지므로 실험결과의 모사에 적합하다.
Langmuir및 Freundlich 등온식은 그 간단성 때문에 흡착평형데이타를 예측하기 위해 사용되어 왔지만 이론적인 근거가 미약하여 다양한 응용에는 한계가 있다. 따라서 각 등온식의 단점을 극복하기 위해 이 두모형을 결합한 경험적인 모형식이 만들어 졌으며 이것을 Langmuir-Freundlich식이라 한다. 여기서 N은 단위흡착제당 흡착된 몰 수, P는 압력, N/N∞는 용량비(loading ratio)라 한다.
③ BET형 흡착식
흡착 등온선이 높은 압력에서 어떤 포화값에 도달되는 대신에 처음에 흡착된 층이 새로운 기질로 작용할 때는 등온선이 무한대로 증가할 수 있다. 이러한 다분자층 흡착을 나타내는 가장 중요한 등온식은 다음과 같은 Brunauner, Emmett, Teller가 유도한 이른바 BET 등온식이다.
여기서 p*는 표면상에 두꺼운 층을 이루고 있는 순수한 액체의 증기 압력이며, Vmon은 단분자층 흡착에 필요한 부피이다. 그리고 c는 상수인데, 단분자층으로부터의 탈착 에너지가 액체 흡착질의 증발 엔탈피보다 클 때는 이 상수의 값이 커진다.
12. Reference
(1) 화학공학 실험(4학년 1학기), 연세대학교 공과대학 화학공학과, 2007
(2) 물리 화학 실험- 권오천
(3) 화학공학 연구정보센터 반응공학 및 촉매공학 포럼
(4) 분석화학 1st edition -최규원(1992)
(5) Smith, 화학공학열역학, McGRAW-HILL

키워드

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