Определение кажущейся плотности

Основное затруднение при вычислении кажущейся плотно­сти вызывает определение истинного значения объема сорбента, включающего в себя, наряду с объемом скелета, объемы всех содержащихся в нем разновидностей пор. В лабораторной практике с целью определения V_пм обычно исполь­зуются методы, основанные на вытеснении жидкости иссле­дуемым материалом, поры которого по той или иной причи­не оказываются недоступными для молекул данного вещества. В зависимости от того, определяется ли этотобъем не­посредственно или на основании данных о массе вытеснен­ной сорбентом жидкости, эти методы делятся соответственно на объемные — прямые и весовые — косвенные методы.

 Объемный метод определения ρ_к

Для определения кажущейся плотности объемным мето­дом используются волюмометрические жидкости как смачивающие (вода, спирты), так и не смачивающие (ртуть, глицерин) поверхности- исследуемого твердого тела. В первом случае для предотвращения проникновения жидко­сти в поры необходимо произвести предварительную обра­ботку сорбента. Она заключается либо в блокировке поверх­ностных пор парафином, воском, вазелином или силановой пленкой, либо в заполнении всех пор пропиточной жидко­стью. Ясно, что эти вещества не должны взаимодействовать с волюмометрической жидкостью, а также с исследуемым твердым телом.

Метод предварительной обработки поверхности пористых тел пленкообразующими веществами обладает рядом недостатков. Так, например, блокировка пор может оказаться не­полной, а с другой стороны — на поверхности сорбента может остаться неудаленным избыточное количество этого ве­щества, что, конечно, отразится на результатах определе­ния ρ_к. Поэтому среди этой первой группы методов предпочтение отдается способу, использующему две жидкости — пропиточную и волюмометрическую, которые не смешива­ются между собой, но хорошо смачивают поверхность сорбента.

В качестве пропиточной жидкости чаще всего используют очищенный керосин, а в качестве волюмометрической — этиловый спирт. При погружении навески сорбента в керосин.

Схема прибора, в котором реализуется указанный метод, представлена на рис. 3. Измерения начинают с определе­ния постоянной волюмометра. Для этого калиброванную микрооюретку 1 полностью — точно до отметки V в ее верхней части — за­полняют этиловым спиртом, после че­го его начинают сливать в пустую колбочку 3. Последнюю операцию продолжают до тех пор, пока спирт не достигнет уровня метки х в капил­ляре, которым заканчивается верхняя часть колпачка колбы 2. Положение мениска спирта, установившееся при этом в микробюретке 1, и будет отве­чать постоянной волюмометра V₁.

 

Рисунок 3 –  Схема прибора для определения кажущейся плотности сорбентов керосино-спиртовым объемным методом: 1—калиброванная микробюретка; 2 — колпачок с капилляром; 3 — колба для сорбента

 

Предназначенный для исследова­ния образец сорбента высушивают, затем навеску извлекают из пропиточной жидкости, а ее избыток с поверхности твердого тела удаляют в пористом фильтровальном стаканчике в течение 3 мин с помощью не­большого (~8 кПа) вакуумметрического разрежения, соз­даваемого водоструйным насосом. Обработанный керосином образец сорбента переносят без потерь в сухую колбу 3 и,, проверив правильность заполнения микробюретки 1 этило­вым спиртом до отметки V, начинают заполнять ее волюмометрической жидкостью, уровень которой, как и при опреде­лении постоянной прибора, доводят до риски х на капиллярной трубке колпачка 2. Замечают положение мениска спирта V₂, установившееся при этом в микробюретке 1.

Разность показаний шкалы микробюретки в присутствии образца сорбента и при определении постоянной волюмометра будет равна объему этой навески. Расчет кажущейся плотности проводят по уравнению

 

где m — навеска высушенного сорбента, г.

Основным недостатком этого метода является невозмож­ность проконтролировать степень заполнения всех пор сор­бента пропиточной жидкостью, а также полноту удаления ее избытка с поверхности исследуемо­го твердого тела.

 

Другим вариантом объемного метода определения ρ_к является так называемый ртутный капилляр­ный метод. Принципиальная схема прибора, использующего в каче­стве волюмометрической жидкости ртуть, представлена на рис.4.

Предварительно правая и нижняя части прибора — от от­метки V в резервуаре 4 до крана 3 заполняются очищенной ртутью. Затем, перекачкой этой жидкости из сосуда 4 в колбу 2 и доведением ее уровня в капилляре 1 до риски х, по показаниям бюретки 6 определяют постоянную прибора V_x. Положение отметки V выбирается таким, чтобы при прове­дении этой операции уровень ртути V₁ оказался в нижней части калиброванной бюретки 6.

 

Рисунок.4. Схема прибора для опре­деления кажущейся плотности сор­бентов ртутным объемным методом: 1 — капилляр с риской x; 2 — колба для сорбента; 3— запорный кран; 4 — резервуар со ртутью; 5 — манометр; 6 — калиброванная микробю­ретка

Основную часть эксперимента проводят, предварительно переведя ртуть из левого колена в правое (при этом нужно убедиться, что уровень ртути в резервуаре 4 установился точно на отметке V), а в колбу 2 поместив предварительно вы­сушенный и взвешенный образец исследуемого сорбента. Последующее заполнение колбы 2 ртутью и доведение ее уровня в капилляре 1 до отметки х производят так же, как и при определении постоянной прибора. При этом уровень ртути V₂ в микробюретке 6 окажется несколько выше первоначального.

Разность объемов ртути, соответствующих конечному V₂ и начальному V₁ уровням ртути в микробюретке, равна объ­ему зерен сорбента во взятой навеске. Кажущуюся плотность исследуемого образца пористого тела определяют по формуле:

 

К недостаткам этого метода следует отнести необходимость работать с такой токсичной жидкостью, какой является ртуть, а также неопределенность в вопросе о заполнении этой жидкостью наиболее крупных макропор, в результате чего рассчитанный по этим данным объем твердого тела ока­зывается заниженным, а значение ρ_к соответственно завы­шенным.

Весовой метод определения ρ_к

Для определения кажущейся плотности весовым методом используются, как правило, жидкости, не смачивающие по­верхности исследуемых твердых тел, среди которых наиболее широкое применение получила ртуть. Известно несколько способов определения ρ_к с помощью этого вещества. Ниже будет рассмотрен самый распространенный вариант этого метода — метод Дубинина—Маркиной, который позволяет не только получать истинные, так называемые исправленные значения кажущейся плотности, но и вводить поправки в экспериментально определяемые величины удельной суммар­ной пористости сорбентов vi.

Принципиальная схема установки, предназначенной для определения р_к весовым методом, представлена на рис. 5.

Работа на этой установке проводится в два этапа: на первом калибруют пикнометр 3, на втором определяют мас­су вытесненной пористым образцом ртути, после чего расчетным путем устанавливают значение искомой величины ρ_к.

Калибровка заключается в определении массы ртути, заключенной в свободном от навески сорбента пикнометре 3 между кранами б и в после ее перевода из бюретки 1 в правую часть прибора и доведения ее уровня в трубке 2 до отметки х. Перед взвешиванием пикнометр отсоединяют от установки, а его свободные концы тщательно очищают от оставшейся в них ртути.

Для проведения второй, основной части работы в пустой пикнометр помещают заранее подготовленный к исследованию образец сорбента известной массы, после чего прибор заполняют ртутью по описанной выше схеме и еще раз взве­шивают -

 

 

 

Рисунок 5 – Схема прибора для опреде­ления кажущейся плотности сорбен­тов ртутным весовым, методом: 1 — сосуд со ртутью; 2 — надставная трубка с риской х; 3 — пикнометр; 4 — манометр

 

Значение кажущейся плотности находят по формуле:

 

где т = т₃ — т₁ — навеска сорбента, г; т₁ — масса пустого пикнометра, г; т₂ — масса пикнометра со ртутью, г; т₃ — масса пикнометра с навеской сорбента, г; т ₄ — масса пикнометра с сорбентом и ртутью, г; ρ _Hg — плотность ртути при температуре опыта, г/см³.

Здесь разность т₂ — т₁ = k и является постоянной пикно­метра, которую определяют один раз перед началом работы с данным прибором.

Однако кажущаяся плотность сорбента, определенная этим способом, так же как и значение ρ_к, рассчитанное по­данным ртутного объемного метода, оказывается несколько завышенной. Это в обоих случаях объясняется тем, что вследствие атмосферного давления и давления, оказываемого столбом ртути, находящимся над сорбентом, часть наиболее крупных макропор образца заполняется этой жидкостью.

 

.