Изучение красителей находящихся в газированной воде

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

НИЖНЕТАГИЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ  СОЦИАЛЬНО-ПЕДАГОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

 

Институт естествознания, математики и информатики

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа по химии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ИСПОЛНИТЕЛЬ: Чегодаев Е.Д.,

студент 4 курса

 

 

 

 

 

 

НИЖНИЙ ТАГИЛ

2012

Содержание

Введение                                                                                                                  3

I. Адсорбция                                                                                                            5

1. . Классификация процесса, основные определения                                   6

1. 1. Основные понятия  процесса адсорбции                                                   6

1. 2. Основные промышленные адсорбенты и их свойства                            9

1. 3. Изотерма адсорбции                                                                                13

2. Закономерности процесса адсорбции                                                            14

2. 1. Теории адсорбции                                                                                  14

2. 2.  Адсорбция на границе  раствор – пар                                                  20

2. 3.  Адсорбция на границе  твердое тело – газ                                              23

2. 4.  Адсорбция на границе твердое тело – раствор                                     25

2. 4. 1. Молекулярная адсорбция из  растворов                                              25

2. 4. 2. Адсорбция из растворов  электролитов                                               26

II. Пищевые красители                                                                                          27

III. Практическая часть                                                                                         31                                                    

Заключение                                                                                                             39

Список литературы                                                                                                40

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Самой главной качественной характеристикой продуктов питания, оцениваемой потребителями, являются их органолептические показатели - вкус, цвет и аромат. Причём цвет - это самый первый качественный показатель, на который потребитель обращает своё внимание при выборе товара. Отличительная особенность красителя - способность пропитывать окрашиваемый материал, пищу и давать цвет по всему его объёму.

Пищевые красители использовали еще в древние времена для улучшения внешнего вида пищевых продуктов. Пищевые красители подразделяются на съедобные красители, стабилизаторы цвета, поверхностные красители и красители для несъедобных оболочек.

Красители добавляют  к пищевым продуктам с целью:

·         восстановления природной окраски, утраченной в процессе обработки и/или хранения;

·        повышения интенсивности природной окраски в целях усиления внешней привлекательности продукта;

·        окрашивания бесцветных продуктов, например, безалкогольных напитков, мороженного, кондитерских изделий для придания привлекательного вида и цветового разнообразия.

В данной работе мы плотнее  познакомимся с натуральными и синтетическими пищевыми красителями.

Моя курсовая работа посвящена  исследованию концентрации синтетических  пищевых красителей в газированных напитках.

Я считаю, что эта тема актуальна, так как большая концентрация красителей может вызывать различные  заболевания, например краситель Е-129 (Красный очаровательный АС) может  вызывать аллергические реакции, а также повышенную чувствительность и активность у детей.

 В своей работе  для извлечения пищевого красителя   я использовал метод твердофазной  экстракции, после чего определял  его концентрацию с помощью  спектрофотометрии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I.Адсорбция

Адсорбцией называют процесс поглощения вещества из смеси  газов, паров или растворов поверхностью или объемом пор твердого тела – адсорбента.

Явление адсорбции известно очень давно. Такие природные  материалы, как песок и почва, использовали для очистки воды еще на заре человеческого общества. В конце XVIII века К. Шееле и одновременно Фонтана обнаружили способность  свежепрокаленного древесного угля поглощать различные газы в объемах, в несколько раз превышающих его собственный объем. Вскоре выяснилось, что величина поглощенного объема зависит от типа угля и природы газа. Т.Е. Ловиц в 1785 году открыл явление адсорбции углем в жидкой среде, подробно исследовал его и предложил использовать уголь для очистки фармацевтических препаратов, спирта, вина, органических соединений. Ловиц показал, что древесный уголь способен быстро очищать испорченную воду и делать ее пригодной для питья. И сейчас основным действующим началом фильтров для воды служат углеродные материалы, конечно более современные, чем природные угли. Адсорбция отравляющих веществ из воздуха была использована Н.Д. Зелинским при создании противогаза во время первой мировой войны.

Адсорбция газов на твердых  поверхностях используется в некоторых  отраслях пищевой промышленности, а именно масложировой (например, в производстве маргарина) и в бродильной (например, в производстве дрожжей) для очистки технологических газовых потоков с целью предотвращения выбросов вредных веществ в атмосферу. Поглощение паров воды происходит на пористых веществах, которые выполняют роль твердого адсорбента. Подобные процессы наблюдаются в отношении сахара, соли и сухарей. Адсорбционный способ регулирования газового состава хранилищ скоропортящихся продуктов позволяет в несколько раз сократить потери и увеличить сроки хранения. Адсорбция различных пищевых кислот, лимонной в частности, снижает по сравнению с водой поверхностное натяжение большинства прохладительных напитков. Адсорбция веществ на поверхности раздела жидкость — газ способствует устойчивости пен. Подобный процесс имеет место в бродильной промышленности при производстве дрожжей и некоторых других полупродуктов. Усиление смачивания водой различных поверхностей широко используется в промышленности в качестве сопутствующего процесса при мойке оборудования, подготовке сырья, обработке полуфабрикатов и т.д. Адсорбция на границе твердое тело - жидкость широко применяется при очистке жидкостей (например, диффузионного сока при производстве сахара, растительных масел и соков) от примесей.

Развитие теории адсорбционных сил еще не достигло такой стадии, когда по известным физико-химическим свойствам газа и твердого тела можно было бы рассчитать изотерму адсорбции, не проводя экспериментальных исследований. Поэтому попыткам описать экспериментальные изотермы с помощью различных теоретических уравнений, которым соответствуют определенные модели адсорбции, посвящено огромное количество работ. Если теоретическое уравнение изотермы адсорбции хорошо воспроизводит экспериментальные данные, то можно рассчитать неизвестные величины адсорбции при разных условиях (р и Т ) и определить различные геометрические параметры твердых тел. Рассмотрим лишь немногие, наиболее распространенные теоретические уравнения изотерм адсорбции.

 

 

1. Классификация  процесса, основные определения

 

1. 1. Основные  понятия процесса адсорбции

 

Адсорбцией называется самопроизвольно протекающий диффузионный процесс взаимодействия двух фаз — твердого тела — адсорбента и газа, пара или растворенного вещества—адсорбтива, происходящий поглощением газа, пара или растворенного вещества  поверхностью твердого тела.

Поглощение газов, паров  и растворенных веществ твердыми телами обычно сопровождается процессами проникновения поглощаемого вещества в твердое тело (абсорбцией), капиллярной конденсацией и химическими реакциями (хемосорбцией), что весьма затрудняет изучение собственно адсорбции. Поэтому поглощение газов, паров и растворенных веществ твердыми   телами обычно рассматривается как общий процесс сорбции.

Адсорбция всегда сопровождается выделением тепла. В большинстве случаев тепловой эффект адсорбции по своей величине приближается к теплоте   конденсации поглощаемого газа или пара.

Адсорбцию подразделяют на два вида: физическую и химическую. Физическая адсорбция в основном обусловлена поверхностными вандервальсовыми силами, которые проявляются на расстояниях, значительно превышающих размеры адсорбируемых молекул, поэтому на поверхности адсорбента обычно удерживаются несколько слоев молекул адсорбата.

При химической адсорбции  поглощаемое вещество вступает в химичекое взаимодействие с адсорбентом с образованием на его поверхности обычных химических соединений.

Силы притяжения возникают  на поверхности адсорбента благодаря  тому, что силовое поле поверхностных  атомов и молекул не уравновешено силами взаимодействия соседних частиц. По физической природе силы взаимодействия молекул поглощаемого вещества и адсорбента относятся в основном к дисперсионным, возникающим благодаря перемещению электронов в сближающихся молекулах. В ряде случаев адсорбции большое значение имеют электростатические и индукционные силы, а также водородные связи. Поэтому адсорбция является самопроизвольным процессом, течение которого сопровождается уменьшением свободной энергии и энтропии системы.

Процессы адсорбции  избирательны и обратимы. Процесс, обратный адсорбции, называют десорбцией, которую используют для выделения поглощенных веществ и регенерации адсорбента.

Наиболее рационально  применять адсорбцию для обработки  смесей с низкой концентрацией извлекаемых  веществ.

Статическая и динамическая активность адсорбентов.

Основной характеристикой адсорбента является его активность, определяемая весовым количеством вещества, поглощенного единицей объема или веса поглотителя.

Различают активность статическую  и динамическую.

Статическая активность адсорбента характеризуется максимальным количеством вещества, адсорбированного к моменту достижения равновесия весовой или объемной единицей адсорбента при данной температуре и концентрации адсорбируемого вещества в газо-воздушной смеси.

Динамическая активность является характеристикой адсорбента при протекании паро-воздушной смеси через слой адсорбента до момента проскока адсорбируемого газа.

Если газовая смесь  проходит через слой адсорбента, то в начальный период процесса адсорбтив  полностью извлекается из газовой смеси. По истечении определенного промежутка времени в газовой смеси, уходящей из поглотителя, начинают появляться заметные, все возрастающие количества адсорбтива (проскок), и к концу процесса концентрация уходящего газа становится равной начальной концентрации паро-воздушной  смеси.

В адсорберах промышленного  типа с активированным углем динамическая активность составляет 85-95% от статической, а в случае применения силикагеля динамическая активность оказывается меньше статической   на   60-70%.

Селективные свойства адсорбентов.

 В процессах адсорбции,  так же как и в процессах  абсорбции, поглощающие вещества (адсорбенты обладают селективными  свойствами по отношению к  поглощаемым газам и парам.  Иными словами, применение адсорбционных процессов в качестве метода разделения газовых смесей основано на том, что газовая смесь, приведенная в соприкосновение с адсорбентом, освобождается лишь от одного компонента, в то время как другие оказываются непоглощенными.

Если в процессах  абсорбции селективные качества процесса определялись растворимостью или нерастворимостью газа в поглощающей жидкости, то в процессах адсорбции критерием селективных качеств является   статическая   активность  адсорбента.

Из смеси газов, приведенных  в соприкосновение с адсорбентом, в первую очередь и в значительно большем количестве поглощается газ или пар того вещества, которое имеет более высокую температуру кипения. В большинстве случаев температура кипения поглощаемого газа (например, паров бензола) сильно отличается от температуры кипения инертного газа (например, воздуха) и присутствие инертного газа почти не оказывает влияния на ход процесса. В данном случае поглощение бензола из паро-воздушной смеси с парциальной упругостью паров бензола р протекает точно так же, как и поглощение чистых паров бензола, имеющих то же давление.

Разделение адсорбционным  методом смеси газов, компоненты которой имеют близко лежащие температуры кипения, предоставляет большие трудности или  практически невозможно.

 

1. 2. Основные промышленные адсорбенты и их свойства

 

Основными промышленными  адсорбентами являются пористые тела, обладающие большим объемом микропор. Свойства адсорбентов определяются природой материала, из которого они  изготовлены, и пористой внутренней структурой.

В промышленных адсорбентах основное количество поглощенного вещества сорбируется на стенках микропор (r < 109 м). Роль переходных пор (10-9 < r < 10-7 м) и макропор (r < 10-7 м) в в основном сводится к транспортированию адсорбируемого вещества к микропорам.

Адсорбенты характеризуются  своей поглотительной, или адсорбционной  способностью, определяемой максимально  возможной концентрацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента, его пористой структуры, природы поглощаемого вещества, его  концентрации, температуры, а для газов и паров – от их парциального давления. Максимально возможную при данных условиях поглотительную способность адсорбента условно называют равновесной активностью.

По химическому составу  все адсорбенты можно разделить  на углеродные и неуглеродные. К углеродным адсорбентам относятся активные (активированные угли), углеродные волокнистые материалы, а также некоторые виды твердого топлива. Неуглеродные адсорбенты включают в себя силикагели, активный оксид алюминия, алюмагели , цеолиты и глинистые породы.

Активные угли, состоящие  из множества беспорядочно расположенных  микрокристаллов графита, обычно используют для поглощения органических веществ  в процессах очистки и разделения жидкостей и газов (паров). Эти  адсорбенты получают сухой перегонкой ряда углеродсодержащих веществ (древесины, каменного угля, костей животных, косточех плодов и др.). После этого уголь активируют, например прокаливают его при температуре 850-900о С, что приводит к освобождению пор от смолистых веществ и образованию новых микропор. Активацию проводят также экстрагированием смол из пор органическими растворителями, окислением кислородом воздуха и др. Более однородная структура углей получается при их активации химическими методами: путем их обработки горячими растворами солей (сульфатами, нитратами и др.) или минеральными кислотами (серной, азотной и др.)

Качество активированных углей зависит от свойств исходных углеродсодержащих материалов и  от условий активации. Характеристикой степени активации активированного угля является обгар, т. е. сгоревшая часть угля, выраженная в процентах от количества исходного материала.

Активированный уголь  применяется при адсорбции либо в виде зерен величиной от 1 до 7 мм, либо в виде порошка. Зерна и  порошок получают путем измельчения  и классификации. Удельная активная поверхность активных углей выражается величиной от 600 до 1700 м2 на один грамм. Применяются активированные угли главным образом для поглощения паров органических жидкостей, находящихся в газовых смесях, и для очистки различных растворов от примесей.

Серьезным недостатком  этих углей является горючесть, и  применять их можно при температурах не выше 200°. Для уменьшения горючести  к ним подмешивают силикагель, однако такая добавка приводит к  понижению активности адсорбента, поэтому активированные угли с добавкой к ним силикагеля практически применяют сравнительно редко.

Силикагелем называют продукт обезвоживания геля кремневой кислоты, получаемого действием серной или соляной кислот или растворов кислых солей на раствор силиката натрия. Выпавший гель кремневой кислоты после промывки высушивается при температуре 115-130° до влажности 5-7%.

Силикагель отличается однородностью пор как по величине, так и распределению. Применяется  силикагель в виде зерен диаметром  от 0,2 до 7 мм главным образом для поглощения паров воды, т. е. для сушки газов. Удельная активная поверхность силикагеля выражается величиной порядка  600 м2 на один грамм.

К достоинствам силикагелей  относятся их негорючесть и большая  механическая прочность. Недостатком относится резкое снижение поглотительной способности по отношению к парам органических веществ в присутствии влаги.

По сорбционным свойствам  к силикагелю близко примыкают алюмагели, получаемые термической обработкой гидроксида алюминия при температурах 600-1000оС.  Поры полученного сорбента имеют диаметр 1-3 нм,  удельную поверхность

2·10 5 - 4·10 5 м2/кг; насыпная плотность такого сорбента 1600 кг/м3. Алюмагели используют для осушки газов, очистки водных растворов и минеральных масел.

Цеолиты представляют собой природные или синтетические минералы, которые являются водными алюмосиликатами, содержащими оксиды щелочных щелочноземельных металлов. Эти адсорбенты отличаются регулярной структурой пор, размеры которых соизмеримы с размерами поглощаемых молекул. Особенность цеолитов состоит в том, что адсорбционные поверхности соединены между собой окнами  определенного диаметра, через которые могут проникать только молекулы меньшего размера. На этом основано разделение смесей с разными по размеру молекулами, что послужило причиной называть цеолиты молекулярными ситами.

Для разделения газовых  смесей применяют цеолиты в виде шариков или гранул размером от 1 до 5 мм, а для разделения жидких смесей – в виде мелкозернистого порошка.

Особенно широко цеолиты  используют для глубокой осушки газов и жидкостей, в процессах очистки и разделения смесей веществ с близкой молекулярной массой, а также в качестве в качестве катализаторов и их носителей.

Для очистки жидкостей  от различных примесей в качестве адсорбентов применяют природные глинистые породы. Эти глины для их активации обрабатывают серной или хлороводородной кислотами и получают адсорбент с удельной поверхностью пор порядка (1,0 ÷1,5)·105 м2/кг.

 

1.  3. Изотерма  адсорбции

 

Каковы бы ни были взгляды  на природу адсорбционных сил, под действием которых частицы газа скапливаются на поверхности твердого тела, бесспорным является то, что между частицами газа, находящимися в газовой фазе, и частицами его, находящимися на поверхности адсорбента, в момент полного насыщения наступает равновесие, т. е. в единицу времени адсорбируется столько частиц, сколько удаляется с   поверхности.

Количество поглощенного вещества, соответствующее равновесному состоянию, зависит от концентрации поглощаемого компонента в газовой  смеси или в растворе или, что то же самое, от парциального давления поглощаемого   компонента в смеси и может быть   выражено    уравнением (1.3.1)

 

a=f(p)       (1.3.1)

 

    где a - количество вещества, поглощаемого весовой или объемной единицей   адсорбента    при достижении фазового равновесия, в кгс/кгс или  в  кгс/м3;

  р - парциальное   давление поглощаемого компонента в газовой фазе в мм pm.  cm.

 

Кривая, выражающая эту  функциональную зависимость при  достижении  состояния равновесия, называется изотермой  адсорбции. Типичные  кривые зависимости между количеством поглощаемого компонента и его  давлением   приведены на рис. 1.3.1


 

 

Рис. 1.3.1  Кривые абсорбции.

 

2. Закономерности  процесса адсорбции

 

2. 1. Теории  адсорбции

 

Единой теории, которая  достаточно корректно описывала бы все виды адсорбции на разных поверхностях раздела фаз, не имеется; рассмотрим поэтому некоторые наиболее распространенные теории адсорбции, описывающие отдельные виды адсорбции на поверхности раздела твердое тело – газ или твердое тело – раствор.

 

Теория мономолекулярной адсорбции Ленгмюра

 

Теория мономолекулярной адсорбции, которую разработал американский химик И. Ленгмюр, основывается на следующих положениях.

1)  Адсорбция является локализованной и вызывается силами, близкими к химическим.

2)  Адсорбция происходит не на всей поверхности адсорбента, а на активных центрах, которыми являются выступы либо впадины на поверхности адсорбента, характеризующиеся наличием т.н. свободных валентностей. Активные центры считаются независимыми (т.е. один активный центр не влияет на адсорбционную способность других), и тождественными.

3)  Каждый активный центр способен взаимодействовать только с одной молекулой адсорбата; в результате на поверхности может образоваться только один слой адсорбированных молекул.

4)  Процесс адсорбции является обратимым и равновесным – адсорбированная молекула удерживается активным центром некоторое время, после чего десорбируется; т.о., через некоторое время между процессами адсорбции и десорбции устанавливается динамическое равновесие.  

 

Рис. 2.1.1  Изотерма мономолекулярной адсорбции. 
 

В состоянии равновесия скорость адсорбции  равна скорости десорбции. Скорость десорбции прямо пропорциональна  доле занятых активных центров (х), а  скорость адсорбции прямо пропорциональна произведению концентрации адсорбата на долю свободных активных центров (1 – х): 

                       (2.1.1)

            (2.1.2) 

                (2.1.3)

Отсюда находим х:

                  (2.1.4)

Разделив числитель и знаменатель  правой части уравнения (2.1.4) на kA, получим:

                (2.1.5)

Максимально возможная величина адсорбции  Го достигается при условии, что все активные центры заняты молекулами адсорбата, т.е. х = 1. Отсюда следует, что х = Г / Го. Подставив это в уравнение (2.1.5), получаем:

                      (2.1.6)

                      (2.1.7)

Уравнение (2.1.7) есть изотерма мономолекулярной адсорбции, связывающая величину адсорбции Г с концентрацией адсорбата С. Здесь b – некоторая постоянная для данной пары адсорбент-адсорбат величина (отношение констант скоростей десорбции и адсорбции), численно равная концентрации адсорбата, при которой занята половина активных центров. График изотермы адсорбции Ленгмюра приведен на рис. 2.1.1. Константу b можно определить графически, проведя касательную к изотерме адсорбции в точке С = 0.

При описании процесса адсорбции  газов в уравнении (2.1.7) концентрация может быть заменена пропорциональной величиной парциального давления газа:

                      (2.1.8)

Теория мономолекулярной адсорбции Ленгмюра применима для описания некоторых процессов адсорбции газов и растворенных веществ при небольших давлениях (концентрациях) адсорбата.

 

Теория полимолекулярной адсорбции Поляни

 

На практике часто (особенно при адсорбции паров) встречаются т.н. S-образные изотермы адсорбции (рис. 2.1.2), форма которых свидетельствует о возможном, начиная с некоторой величины давления, взаимодействии адсорбированных молекул с адсорбатом. 
 

 

Рис. 2.1.2  Изотерма полимолекулярной адсорбции. 
 

Для описания таких изотерм адсорбции М. Поляни предложил теорию полимолекулярной адсорбции, основанную на следующих основных положениях:

1. Адсорбция вызвана  чисто физическими силами.

2. Поверхность адсорбента однородна, т.е. на ней нет активных центров; адсорбционные силы образуют непрерывное силовое поле вблизи поверхности адсорбента.

3. Адсорбционные силы  действуют на расстоянии, большем  размера молекулы адсорбата. Иначе  говоря, у поверхности адсорбента  существует некоторый адсорбционный объём, который при адсорбции заполняется молекулами адсорбата.

4. Притяжение молекулы  адсорбата поверхностью адсорбента  не зависит от наличия в  адсорбционном объеме других  молекул, вследствие чего возможна полимолекулярная адсорбция.

5. Адсорбционные силы не зависят от температуры и, следовательно, с изменением температуры адсорбционный объем не меняется.

 

Уравнение  Фрейндлиха

 

Теоретические представления, развитые Ленгмюром и Поляни, в  значительной степени идеализируют и упрощают истинную картину адсорбции. На самом деле поверхность адсорбента неоднородна, между адсорбированными частицами имеет место взаимодействие, активные центры не являются полностью независимыми друг от друга и т.д. Все это усложняет вид уравнения изотермы. Г. Фрейндлих показал, что при постоянной температуре число молей адсорбированного газа или растворенного вещества, приходящееся на единицу массы адсорбента (т.н. удельная адсорбция x/m), пропорционально равновесному давлению (для газа) или равновесной концентрации (для веществ, адсорбируемых из раствора) адсорбента, возведенным в некоторую степень, которая всегда меньше единицы:

                           (2.1.9)

                           (2.1.10)

 
      (а)

 
              (б)


Рис. 2.1.3  Изотерма адсорбции Фрейндлиха в обычных (а) и логарифмических координатах (б).

Показатель степени n и коэффициент  пропорциональности а в уравнении Фрейндлиха определяются экспериментально. Логарифмируя уравнения (2.1.9 – 2.1.10), получаем:

                    (2.1.11)

                    (2.1.12)

Т.о., зависимость логарифма удельной адсорбции от логарифма концентрации (давления) графически выражается прямой линией, отсекающей на оси ординат отрезок, равный lga, тангенс угла наклона которой к оси абсцисс равен по величине показателю степени при давлении или концентрации (рис. 2.1.3):

                         (2.1.13)

 

2. 2.  Адсорбция на  границе раствор – пар

В жидких растворах поверхностное  натяжение σ является функцией от концентрации растворенного вещества. На рис. 2.1 представлены три возможных  зависимости поверхностного натяжения  от концентрации раствора (т.н. изотермы поверхностного натяжения). Вещества, добавление которых к растворителю уменьшает поверхностное натяжение, называют поверхностно-активными (ПАВ), вещества, добавление которых увеличивает или не изменяет поверхностное натяжение – поверхностно-инактивными (ПИАВ).

 
 

  

Рис. 2.2.1  Изотермы поверхностного           Рис. 2.2.2  Изотерма

                                                                                           адсорбции 
        натяжения растворов ПАВ (1, 2) и               ПАВ  на границе  раствор-пар 
        ПИАВ (3) 
 

Изучение красителей находящихся в газированной воде 📙 Курсовая → 🆔 85761

Изучение красителей находящихся в газированной воде 📙 Курсовая → 🆔 85761

Изучение красителей находящихся в газированной воде