Metileenblou-adsorpsietoetse en geaktiveerde koolstof: hoe om die toets uit te voer en die waarde te vertolk

'n Laboratorium vergelyk twee geaktiveerde koolstowwe. Een datablad gee 'n metileenblouwaarde aan wat drie keer dié van die ander is. Die laboratorium koop die produk met die hoër waarde, bepaal die dosis daarvolgens, en die kleurstof breek vroeg deur. Niks is vervals nie. Die twee waardes kom uit verskillende toetse, en die koper het hulle as dieselfde grootheid vertolk.

Hierdie artikel stel daardie vertolkingsfout reg. Dit verduidelik wat die toets meet, werk die berekening twee keer met werklike waardes deur en benoem elke veranderlike wat die resultaat beïnvloed. Die verwante probleem van die rangskikking van verskillende adsorbente word afsonderlik behandel; hier is die onderwerp een materiaalklas en een metode.

Waarom hierdie kleurstof as toetsmolekule dien

Metileenblou is 'n kationiese, vlak aromatiese kleurstof. In water bestaan dit as 'n positief gelaaide ioon, en sy molekulêre afmetings is ongeveer 1.43 by 0.61 by 0.40 nm. Daardie grootte is juis die punt. Jodium, die ander klassieke toetsmolekule, is veel kleiner en dring in nou mikroporieë in, dus weerspieël die jodiumgetal die ontwikkeling van mikroporieë. Metileenblou benodig wyer ingange: dit bereik porieë groter as ongeveer 0.75 nm, met belangrike bydraes van porieë van ongeveer 1.4 tot 3 nm. Daardie afmetings dek groter mikroporieë en klein mesoporieë; om die toets dus as 'n suiwer mesoporietoets te beskryf, is 'n oorvereenvoudiging. Die twee toetsmolekules vul mekaar aan. Jodium vra hoeveel fyn porositeit daar is. Metileenblou vra hoeveel porieruimte 'n groot organiese molekule kan inneem, en dit is die vraag wat vir kleurstofverwydering saak maak. Nie een van die twee waardes voorspel op sy eie die opname van ander molekules nie.

Lading is net so belangrik soos grootte. Omdat die kleurstof kationies is, word dit deur negatief gelaaide oppervlakke aangetrek en deur positief gelaaide oppervlakke afgestoot. Dit maak pH 'n kernveranderlike eerder as 'n voetnoot, soos die eksperimente hieronder toon.

Hoe die lottoets uitgevoer word

Die standaardlaboratoriumprosedure is ewewigsinstelling in 'n lot. Kondisioneer die koolstof, sif dit tot 'n beheerde deeltjiefraksie en weeg 'n bekende massa m af. Voeg 'n bekende volume V kleurstofoplossing met 'n beginkonsentrasie C0 by. Hou pH en temperatuur konstant, meng vir 'n geverifieerde tyd en skei dan die koolstof deur filtrasie of sentrifugering. Bepaal die oorblywende konsentrasie Ce deur UV-Vis-absorbansie, gewoonlik naby 660 tot 665 nm en dikwels by 664 nm, met behulp van 'n kalibrasiereeks wat op dieselfde instrument voorberei is. Een gepubliseerde prosedure het 0.050 g koolstof met 50 mL oplossing oor 10 tot 1000 mg/L gebruik, met 24 uur by 25 C en 'n meting by 660 nm. Daar is nie 'n enkele universele protokol nie; 'n waarde wat sonder dosis, konsentrasiebereik, tyd, temperatuur, pH en golflengte gerapporteer word, is dus nie 'n resultaat nie. Dit is 'n gerug.

Kwantifisering self vereis dieselfde dissipline as wat vir absorbansiegebaseerde kleurstofmeting beskryf word: kalibreer op jou instrument, bevestig die piek eerder as om 664 nm aan te neem, en verdun sterk supernatante terug tot binne die lineêre bereik.

Die uitgewerkte berekening

Kapasiteit word uit die massabalans bepaal. Kleurstof wat uit die oplossing verdwyn het, sit op die koolstof:

qe = (C0 minus Ce) times V divided by m

waar qe die ewewigsopname in mg/g is, C0 en Ce die begin- en ewewigskonsentrasies in mg/L is, V die volume in liter is en m die koolstofmassa in gram is.

Eerste punt. Begin met C0 = 100 mg/L, V = 0.100 L, m = 0.0200 g. Ná ewewigsinstelling rapporteer die instrument Ce = 35 mg/L. Dan is qe = (100 minus 35) times 0.100 divided by 0.0200 = 65 times 0.100 divided by 0.0200 = 325 mg/g. Die verwyderingspersentasie is (100 minus 35) divided by 100 times 100 = 65 persent.

Tweede punt, dieselfde dosis en volume, hoër belading. Begin met C0 = 200 mg/L en meet Ce = 90 mg/L. Dan is qe = (200 minus 90) times 0.100 divided by 0.0200 = 550 mg/g, terwyl die verwydering (200 minus 90) divided by 200 times 100 = 55 persent is.

Hierdie twee pare, (Ce = 35, qe = 325) en (Ce = 90, qe = 550), is twee punte op 'n isoterm. Let op die teenoorgestelde veranderinge: kapasiteit het van 325 tot 550 mg/g gestyg, terwyl verwydering van 65 tot 55 persent gedaal het. Kapasiteit en verwyderingspersentasie beweeg in teenoorgestelde rigtings namate konsentrasie styg. Enigiemand wat koolstowwe rangskik volgens verwyderingspersentasies wat by verskillende dosisse of konsentrasies gemeet is, rangskik die eksperiment, nie die materiaal nie.

Die veranderlikes wat jy moet beheer

Elke faktor hieronder verander die waarde. Hou elkeen konstant of teken dit aan.

Dosis. Meer koolstof beteken meer adsorpsieplekke, dus styg die verwyderingspersentasie terwyl die opname per gram gewoonlik daal, omdat die vasgevange kleurstof oor meer massa versprei word. Rapporteer die dosis in g/L saam met die onderliggende V en m.

Beginkonsentrasie. 'n Hoër C0 verskaf 'n groter dryfkrag, dus styg qe terwyl die verwyderingspersentasie daal namate adsorpsieplekke versadig raak. Isoterme wat oor 5 tot 50 mg/L en oor 100 tot 400 mg/L gepas is, beskryf verskillende dele van die kromme. Vergelyk gepaste kapasiteite slegs oor oorvleuelende konsentrasiebereike.

pH. Vir hierdie kationiese kleurstof styg opname gewoonlik met pH, veral bo die koolstof se punt van nullading, waar die oppervlak 'n netto negatiewe lading kry. Lae pH protoneer oppervlakplekke en laat waterstofione daarvoor meeding. Die omvang van die uitwerking is koolstofspesifiek: in een studie van geaktiveerde koolstof het opname van ongeveer 51 mg/g by pH 2 tot ongeveer 92 mg/g by pH 8 gestyg. Teken die begin- en ewewigs-pH asook agtergrondsoute aan, aangesien ioonsterkte dieselfde kragte afskerm wat pH beïnvloed.

Kontaktyd. Opname styg skerp en bereik dan 'n plato. Slegs die platowaarde is qe; enige vroeër waarde is qt. Gepubliseerde ewewigsinstellingstye wissel van minute tot baie ure vir verskillende koolstowwe, met kontaktye van 24 uur in sommige standaardprosedures. Bepaal die plato deur kinetiese metings vir jou koolstof eerder as om aan te neem dat twee uur voldoende is.

Temperatuur. Daar is geen universele rigting van verandering nie. Opname styg met temperatuur in endotermiese stelsels en daal in eksotermiese stelsels; meet dit dus eerder as om aannames te maak.

Deeltjiegrootte en menging. Fyner deeltjies verkort diffusiepaaie en versnel gewoonlik opname; sterker menging verdun die stilstaande vloeistoffilm om deeltjies en het dieselfde uitwerking. Albei verander die tempo, nie die ewewig self nie. 'n Kapasiteit wat op roerspoed reageer, is 'n waarskuwing dat ewewig nooit bereik is nie.

Die identiteit van die reagens hoort ook in die rekord, en daarom staan kontroles van kleurstofsuiwerheid en -spesifikasie langs die koolstofmassa: metileenblou kan as die watervrye sout met 'n molêre massa van ongeveer 319.9 g/mol of as die trihidraat met 373.90 g/mol verkoop word, en die gehaltebepaling van kommersiële materiaal is dikwels onder 100 persent. 'n Nominale C0 wat met die verkeerde formulemassa bereken word, maak elke qe stelselmatig verkeerd.

Wat die gepaste krommes wel en nie sê nie

'n Langmuir-passing skryf qe as qmax times KL times Ce divided by (1 plus KL times Ce). Dit lewer 'n gepaste versadigingskapasiteit qmax in mg/g en 'n affiniteitskonstante KL in L/mg. 'n Goeie passing beteken dat hierdie spesifieke versadigingskromme die gemete konsentrasiebereik goed beskryf. Dit bewys nie dat die koolstof een eenvormige populasie adsorpsieplekke het, dat die bedekking streng 'n monolaag is of dat enige spesifieke molekulêre meganisme werksaam is nie. Heterogene poreuse koolstowwe lewer gereeld Langmuir-vormige krommes oor beperkte konsentrasiebereike.

'n Freundlich-passing skryf qe as KF times Ce to the power 1/n. KF bepaal die empiriese kapasiteitskaal en 1/n bepaal die kromming. Omdat hierdie vorm geen eindige plato het nie, mag dit nooit geëkstrapoleer word om 'n qmax te versin nie. 'n Beter Freundlich-passing beteken slegs dat sy stygende vorm beter by die gemete interval pas. Watter vergelyking ook al gebruik word, verkies nie-lineêre regressie op die oorspronklike vorm, omdat gelineariseerde transformasies die foute verwring, en ondersoek die residue eerder as om slegs op R-kwadraat te vertrou.

Wat 914 eksperimente ons leer

'n Masjienleerontleding van 914 eksperimente uit 75 artikels het metileenblou-opname oor kleie, asse en alkali-geaktiveerde materiale met gradiëntversterkte regressiebome gemodelleer. Die hoofbevinding: die aanvanklike kleurstofkonsentrasie was die oorheersende voorspeller van gerapporteerde opname, met pH, grondstofidentiteit en modifikasietipe ook belangrik, en met sterk wisselwerkings tussen konsentrasie en byna elke ander veranderlike, insluitend dosis, oppervlakarea, kontaktyd en menging.

Twee voorbehoude hou hierdie bevinding bruikbaar. Eerstens het daardie studie nie geaktiveerde koolstof gedek nie, en dit kan dus nie veranderlikes vir koolstof volgens belangrikheid rangskik nie. Tweedens is die les metodologies en direk oordraagbaar: beginkonsentrasie is nooit bloot 'n steurveranderlike nie, en bedryfstoestande wissel te sterk met materiaaleienskappe om enige uitgelig­te mg/g-rangskikking betekenisvol te laat bly wanneer die toestande weggelaat word. Dit is dieselfde gevolgtrekking wat die uitgewerkte berekening uit grondbeginsels bereik.

Twee foute om nie meer te maak nie

Eerstens, hou op om verwyderingspersentasie as kapasiteit te rapporteer. 'n Hoë dosis kan 99 persent van 'n swak oplossing ontkleur terwyl dit min milligram per gram hou, en 'n lae dosis in 'n sterk oplossing kan honderde milligram per gram hou terwyl sigbare kleur agterbly. Rapporteer altyd C0, Ce, V, m, dosis in g/L, verwyderingspersentasie en qe saam, anders kan die waarde nie hergebruik word nie.

Tweedens, hou op om 'n waarde wat ná 'n vaste tyd gemeet is qe te noem sonder om die kinetiese plato te toon, en hou op om die kleurstof volgens die etiketmassa te standaardiseer. Verifieer ewewig met 'n tydreeks, verifieer konsentrasie spektrofotometries eerder as om die afgeweegde massa op grond van die etiket te vertrou, gegewe die hidraat- en gehaltebepalingsprobleem, en beheer pH, temperatuur, deeltjiegrootte en menging. 'n Metileenbloukapasiteit met daardie gegewens daarby is 'n oordraagbare meting. Daarsonder is dit 'n staaltjie.