Metilen mavisinin adsorbsiya sınağı: aktivləşdirilmiş karbonun tutumu

Laboratoriya iki aktivləşdirilmiş karbonu müqayisə edir. Birinin texniki məlumat vərəqində metilen mavisi göstəricisinin digərindən üç dəfə yüksək olduğu bildirilir. Laboratoriya daha yüksək göstəricili karbonu alır, dozanı həmin göstəriciyə əsasən seçir və boya gözləniləndən tez karbonu keçərək çıxışda görünür. Heç nə saxtalaşdırılmayıb. İki rəqəm fərqli sınaqlardan alınıb, alıcı isə onları eyni kəmiyyət kimi qəbul edib.

Bu məqalə həmin şərh səhvini aradan qaldırır. Sınağın nəyi ölçdüyünü izah edir, real rəqəmlərlə hesablamanı iki dəfə aparır və nəticəni dəyişən bütün amilləri göstərir. Müxtəlif adsorbentlərin bir-biri ilə müqayisə edilərək sıralanması məsələsi ayrıca nəzərdən keçirilir; burada mövzu bir material sinfi və bir üsuldur.

Niyə sınaq maddəsi kimi bu boya seçilir

Metilen mavisi kationik, yastı quruluşlu aromatik boyadır. Suda müsbət yüklü ion şəklində mövcuddur və molekulunun ölçüləri təxminən 1.43 × 0.61 × 0.40 nm-dir. Əsas məqam bu ölçüdür. Digər klassik sınaq maddəsi olan yod xeyli kiçikdir və dar mikroməsamələrə daxil olur, buna görə yod ədədi mikroməsamələrin inkişafını əks etdirir. Metilen mavisinə daha geniş girişlər lazımdır: o, təxminən 0.75 nm-dən böyük məsamələrə daxil olur və təxminən 1.4–3 nm ölçülü məsamələr mühüm töhfə verir. Bu ölçülər iri mikroməsamələri və kiçik mezoməsamələri əhatə etdiyindən, sınağı yalnız mezoməsamələri ölçən vasitə adlandırmaq həddindən artıq sadələşdirmədir. İki sınaq maddəsi bir-birini tamamlayır. Yod nə qədər incə məsaməliliyin olduğunu göstərir. Metilen mavisi isə məsamə həcminin nə qədərinin iri üzvi molekulu qəbul etdiyini göstərir; boyanın uzaqlaşdırılmasında əhəmiyyətli olan sual budur. Bu göstəricilərdən heç biri təkbaşına digər molekulların adsorbsiyasını proqnozlaşdırmır.

Yük ölçü qədər vacibdir. Boya kationik olduğundan mənfi yüklü səthlərə cəzb olunur, müsbət yüklü səthlərdən isə itələnir. Aşağıdakı təcrübələrin göstərdiyi kimi, bu, pH-ı ikinci dərəcəli qeyddən deyil, əsas dəyişənlərdən birinə çevirir.

Dövri sınaq necə aparılır

Standart laboratoriya üsulu qapalı həcmdə tarazlığın yaradılmasına əsaslanır. Karbonu sınağa hazırlayın, ələkdən keçirərək müəyyən ölçülü hissəcik fraksiyası alın və məlum m kütləsini çəkin. Başlanğıc qatılığı C0 olan boya məhlulundan məlum V həcmini əlavə edin. pH və temperaturu sabit saxlayın, əvvəlcədən yoxlanılmış müddət ərzində qarışdırın, sonra karbonu filtrasiya və ya sentrifuqalama ilə ayırın. Qalan Ce qatılığını eyni cihazda hazırlanmış kalibrləmə sırasına əsasən UV-Vis absorbansı ilə, adətən 660–665 nm yaxınlığında və çox vaxt 664 nm-də müəyyən edin. Dərc edilmiş prosedurlardan birində 10–1000 mg/L qatılıq diapazonunda 50 mL məhlulla 0.050 g karbon istifadə olunub, təmas 25 C-də 24 saat davam edib və ölçmə 660 nm-də aparılıb. Vahid universal protokol yoxdur, buna görə doza, qatılıq diapazonu, müddət, temperatur, pH və dalğa uzunluğu göstərilmədən verilən göstərici nəticə deyil. O, şayiədir.

Miqdarın təyini də absorbansa əsaslanan boya ölçməsində təsvir edilən eyni dəqiqliyi tələb edir: öz cihazınızda kalibrləmə aparın, 664 nm-i avtomatik qəbul etmək əvəzinə pik dalğa uzunluğunu təsdiqləyin və yüksək qatılıqlı üst mayeni duruldaraq xətti diapazona qaytarın.

Hesablama nümunəsi

Tutum kütlə balansından alınır. Məhluldan yox olan boya karbonun üzərindədir:

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

burada qe tarazlıqda adsorbsiya olunmuş miqdarın mg/g ilə ifadəsidir, C0 və Ce başlanğıc və tarazlıq qatılıqlarıdır, mg/L ilə verilir, V litrlə həcm, m isə qramla karbon kütləsidir.

Birinci nöqtə. C0 = 100 mg/L, V = 0.100 L, m = 0.0200 g ilə başlayın. Tarazlıq yarandıqdan sonra cihaz Ce = 35 mg/L göstərir. Onda qe = (100 minus 35) times 0.100 divided by 0.0200 = 65 times 0.100 divided by 0.0200 = 325 mg/g. Uzaqlaşdırılma faizi (100 minus 35) divided by 100 times 100 = 65 faizdir.

İkinci nöqtə: doza və həcm eynidir, yüklənmə isə daha yüksəkdir. C0 = 200 mg/L ilə başlayın və Ce = 90 mg/L ölçün. Onda qe = (200 minus 90) times 0.100 divided by 0.0200 = 550 mg/g, uzaqlaşdırılma isə (200 minus 90) divided by 200 times 100 = 55 faizdir.

Bu iki cüt, (Ce = 35, qe = 325) və (Ce = 90, qe = 550), izotermin iki nöqtəsidir. Əks istiqamətli dəyişməyə diqqət edin: tutum 325-dən 550 mg/g-ə yüksəldiyi halda uzaqlaşdırılma 65-dən 55 faizə düşüb. Qatılıq artdıqca tutum və uzaqlaşdırılma faizi əks istiqamətlərdə dəyişir. Fərqli doza və ya qatılıqlarda ölçülmüş uzaqlaşdırılma faizinə görə karbonları sıralayan şəxs materialı deyil, təcrübəni sıralayır.

Nəzarət etməli olduğunuz dəyişənlər

Aşağıdakı amillərin hər biri nəticəni dəyişir. Hər birini sabit saxlayın və ya qeydə alın.

Doza. Daha çox karbon daha çox adsorbsiya mərkəzi deməkdir, buna görə uzaqlaşdırılma faizi yüksəlir, bir qrama düşən adsorbsiya miqdarı isə adətən azalır: tutulan boya daha böyük kütlə üzərində paylanır. Dozanı g/L ilə, hesablamanın əsasını təşkil edən V və m ilə birlikdə bildirin.

Başlanğıc qatılığı. Daha yüksək C0 daha böyük hərəkətverici qüvvə yaradır, buna görə qe yüksəlir, adsorbsiya mərkəzləri doyduqca isə uzaqlaşdırılma faizi azalır. 5–50 mg/L və 100–400 mg/L diapazonlarında uyğunlaşdırılmış izotermlər əyrinin fərqli hissələrini təsvir edir. Modelə uyğunlaşdırma ilə alınmış tutumları yalnız üst-üstə düşən diapazonlarda müqayisə edin.

pH. Bu kationik boyanın adsorbsiyası adətən pH artdıqca yüksəlir, xüsusən karbonun sıfır yük nöqtəsindən yuxarıda, səthin xalis yükü mənfi olduqda. Aşağı pH səth mərkəzlərini protonlaşdırır və hidrogen ionlarının həmin mərkəzlər uğrunda rəqabət aparmasına imkan verir. Təsirin böyüklüyü konkret karbondan asılıdır: aktivləşdirilmiş karbonla aparılan bir tədqiqatda adsorbsiya miqdarı pH 2-də təxminən 51 mg/g-dən pH 8-də təxminən 92 mg/g-ə yüksəlib. Başlanğıc və tarazlıq pH-ını, eləcə də fon duzlarını qeydə alın, çünki ion qüvvəsi pH-ın tənzimlədiyi həmin qüvvələri ekranlaşdırır.

Təmas müddəti. Adsorbsiya miqdarı əvvəl sürətlə artır, sonra sabitləşir. Yalnız plato qiyməti qe-dir; daha erkən ölçülən istənilən qiymət qt-dir. Müxtəlif karbonlar üçün dərc olunmuş tarazlaşma müddətləri dəqiqələrdən çoxsaylı saatlara qədər dəyişir; bəzi standart prosedurlarda təmas müddəti 24 saatdır. İki saatın kifayət etdiyini güman etmək əvəzinə, öz karbonunuz üçün platonu kinetik ölçmələrlə müəyyən edin.

Temperatur. Universal dəyişmə istiqaməti yoxdur. Endotermik sistemlərdə adsorbsiya miqdarı temperaturla artır, ekzotermik sistemlərdə isə azalır; buna görə güman etmək əvəzinə ölçün.

Hissəcik ölçüsü və qarışdırma. Daha xırda hissəciklər diffuziya yollarını qısaldır və adətən adsorbsiyanı sürətləndirir; daha intensiv qarışdırma hissəciklərin ətrafındakı durğun maye təbəqəsini nazikləşdirərək eyni təsiri göstərir. Hər ikisi tarazlığın özünü deyil, sürəti dəyişir. Qarışdırma sürətindən asılı olaraq dəyişən tutum tarazlığın heç vaxt əldə edilmədiyini göstərən xəbərdarlıqdır.

Reagentin kimliyi də qeydlərə daxil edilməlidir; buna görə boyanın saflığının və spesifikasiyasının yoxlanması karbon kütləsi ilə yanaşı qeyd olunur: metilen mavisi molyar kütləsi təxminən 319.9 g/mol olan susuz duz və ya 373.90 g/mol olan trihidrat kimi satıla bilər, kommersiya məhsulunda əsas maddənin miqdarı isə çox vaxt 100 faizdən aşağıdır. Yanlış formula kütləsi əsasında hesablanan nominal C0 bütün qe qiymətlərində sistematik səhv yaradır.

Uyğunlaşdırılmış əyrilər nəyi göstərir, nəyi göstərmir

Langmuir modelində qe ifadəsi qmax times KL times Ce divided by (1 plus KL times Ce) şəklində yazılır. Bu uyğunlaşdırma mg/g ilə doyma tutumu qmax və L/mg ilə yaxınlıq sabiti KL verir. Yaxşı uyğunlaşma bu konkret doyma əyrisinin ölçülmüş qatılıq diapazonunu yaxşı təsvir etdiyini göstərir. Bu, karbonun yalnız bir növ eynicinsli adsorbsiya mərkəzlərinə malik olduğunu, örtülmənin mütləq bir molekulyar laydan ibarət olduğunu və ya hər hansı konkret molekulyar mexanizmin işlədiyini sübut etmir. Heterogen məsaməli karbonlar məhdud diapazonlarda tez-tez Langmuir formasında əyrilər verir.

Freundlich modelində qe ifadəsi KF times Ce to the power 1/n şəklində yazılır. KF empirik tutum miqyasını, 1/n isə əyriliyi müəyyən edir. Bu formada sonlu plato olmadığından, onu ekstrapolyasiya edərək qmax uydurmaq olmaz. Freundlich modelinin daha yaxşı uyğunlaşması yalnız onun yüksələn formasının ölçülmüş intervala daha yaxşı uyğun gəldiyini göstərir. Hansı tənlikdən istifadə olunmasından asılı olmayaraq, ilkin forma üzərində qeyri-xətti reqressiyaya üstünlük verin, çünki xəttiləşdirici çevirmələr xətaları təhrif edir; yalnız R kvadratına etibar etmək əvəzinə qalıqları da yoxlayın.

914 təcrübədən nə öyrənirik

75 məqalədən götürülmüş 914 təcrübənin maşın öyrənməsi ilə təhlili gradient gücləndirməli reqressiya ağacları vasitəsilə gillərdə, küllərdə və qələvi ilə aktivləşdirilmiş materiallarda metilen mavisinin adsorbsiyasını modelləşdirib. Əsas nəticə belə olub: bildirilən adsorbsiya miqdarının ən güclü proqnozlaşdırıcısı boyanın başlanğıc qatılığı idi; pH, xammalın kimliyi və modifikasiya növü də mühüm rol oynayırdı. Qatılıqla doza, səth sahəsi, təmas müddəti və qarışdırma daxil olmaqla, demək olar ki, bütün digər dəyişənlər arasında güclü qarşılıqlı təsirlər mövcud idi.

İki ehtiyat qeydi bu nəticənin faydalılığını qoruyur. Birincisi, həmin tədqiqat aktivləşdirilmiş karbonu əhatə etmirdi, buna görə karbon üçün dəyişənləri əhəmiyyətinə görə sıralaya bilməz. İkincisi, onun verdiyi dərs metodoloji xarakter daşıyır və başqa sistemlərə də birbaşa tətbiq olunur: başlanğıc qatılığı heç vaxt nəzərə alınmaya biləcək kənar dəyişən deyil, iş şəraiti isə materialın xassələri ilə o qədər güclü qarşılıqlı təsirdədir ki, şərait haqqında məlumat çıxarıldıqda yalnız mg/g göstəricisinə əsaslanan heç bir sıralama etibarlı qalmır. Hesablama nümunəsi də əsas prinsiplərdən çıxış edərək eyni nəticəyə gəlir.

Yol verməyi dayandırmalı olduğunuz iki səhv

Birincisi, uzaqlaşdırılma faizini tutum kimi təqdim etməyin. Böyük doza zəif qatılıqlı məhlulun rəngini 99 faiz aradan qaldırdığı halda, hər qramda cəmi bir neçə milliqram boya saxlaya bilər; yüksək qatılıqlı məhlulda kiçik doza isə hər qramda yüzlərlə milliqram boya saxladığı halda görünən rəng buraxa bilər. Həmişə C0, Ce, V, m, g/L ilə doza, uzaqlaşdırılma faizi və qe-ni birlikdə bildirin, əks halda göstəricidən yenidən istifadə etmək mümkün deyil.

İkincisi, kinetik platonu göstərmədən sabit müddətdə alınmış qiyməti qe adlandırmayın və boyanın qatılığını etiketdəki kütlə əsasında standartlaşdırmayın. Tarazlığı zaman sırası ilə yoxlayın; hidrat və əsas maddənin miqdarı problemini nəzərə alaraq, etiketə əsasən çəkilmiş kütləyə etibar etmək əvəzinə qatılığı spektrofotometrik yolla təsdiqləyin; pH, temperatur, hissəcik ölçüsü və qarışdırmaya nəzarət edin. Bu məlumatlarla birlikdə verilən metilen mavisi tutumu başqa şəraitə tətbiq oluna bilən ölçmə nəticəsidir. Bunlar olmadan isə o, sadəcə ayrı bir müşahidədir.