Prawf Arsugniad Glas Methylen: Cynhwysedd Carbon Actif

Mae labordy yn cymharu dau garbon actif. Mae un daflen ddata yn honni gwerth glas methylen sydd deirgwaith yn fwy na'r llall. Mae'r labordy yn prynu ar sail y rhif mwy, yn pennu'r dos yn ôl hwnnw, ac mae'r lliw yn torri drwodd yn gynnar. Ni ffugiwyd dim. Daeth y ddau rif o brofion gwahanol, ond dehonglodd y prynwr hwy fel yr un maint.

Mae'r erthygl hon yn cywiro'r camddehongliad hwnnw. Mae'n egluro beth mae'r prawf yn ei fesur, yn gwneud y cyfrifiad ddwywaith â rhifau go iawn, ac yn enwi pob newidyn sy'n newid y canlyniad. Ymdrinnir ar wahân â'r broblem gysylltiedig o osod arsugnyddion gwahanol mewn trefn yn erbyn ei gilydd; yma, y pwnc yw un dosbarth o ddeunydd ac un dull.

Pam mai'r lliw hwn yw'r stiliwr

Lliw aromatig planar, cationig yw glas methylen. Mewn dŵr, mae'n bodoli fel ïon â gwefr bositif, ac mae ei ddimensiynau moleciwlaidd tua 1.43 wrth 0.61 wrth 0.40 nm. Y maint hwnnw yw'r pwynt. Mae ïodin, y stiliwr clasurol arall, yn llawer llai ac yn llithro i ficromandyllau cul, felly mae rhif ïodin yn adlewyrchu datblygiad micromandyllau. Mae angen mynedfeydd lletach ar las methylen: gall fynd i fandyllau sydd dros tua 0.75 nm, gyda chyfraniadau pwysig gan fandyllau tua 1.4 i 3 nm. Mae'r dimensiynau hynny'n cwmpasu micromandyllau mwy a mesomandyllau bach, felly mae galw'r prawf yn stiliwr mesomandyllau pur yn ei orsymleiddio. Mae'r ddau stiliwr yn ategu ei gilydd. Mae ïodin yn gofyn faint o fandylledd mân sy'n bodoli. Mae glas methylen yn gofyn faint o ofod mandyllau sy'n caniatáu i foleciwl organig mawr fynd i mewn, sef y cwestiwn sy'n bwysig wrth dynnu lliw. Nid yw'r naill rif na'r llall ar ei ben ei hun yn rhagfynegi cymeriant moleciwlau eraill.

Mae gwefr yr un mor bwysig â maint. Gan fod y lliw yn gationig, caiff ei ddenu at arwynebau â gwefr negatif a'i wrthyrru gan rai â gwefr bositif. Mae hynny'n gwneud pH yn newidyn o'r pwys mwyaf yn hytrach na throednodyn, fel y dengys yr arbrofion isod.

Sut mae'r prawf swp yn gweithio

Y ffurf labordy safonol yw cydbwyso mewn swp. Cyflyrwch y carbon, rhidyllwch ef i ffracsiwn gronynnau rheoledig, a phwyswch fàs hysbys m. Ychwanegwch gyfaint hysbys V o hydoddiant lliw â chrynodiad cychwynnol C0. Cadwch y pH a'r tymheredd yn sefydlog, cynhyrfwch am gyfnod wedi'i ddilysu, ac yna gwahanwch y carbon drwy hidlo neu allgyrchu. Pennwch y crynodiad sy'n weddill, Ce, drwy amsugnedd UV-Vis, fel arfer ger 660 i 665 nm ac yn aml ar 664 nm, yn erbyn cyfres raddnodi a baratowyd ar yr un offeryn. Defnyddiodd un weithdrefn gyhoeddedig 0.050 g o garbon gyda 50 mL o hydoddiant ar draws 10 i 1000 mg/L, 24 awr ar 25 C, a darlleniad ar 660 nm. Nid oes un protocol cyffredinol, felly nid canlyniad yw gwerth a adroddir heb ddos, ystod crynodiadau, amser, tymheredd, pH, a thonfedd. Si yw ef.

Mae meintioli ei hun yn haeddu'r un ddisgyblaeth ag a ddisgrifir wrth fesur lliw ar sail amsugnedd: graddnodwch ar eich offeryn, cadarnhewch y brig yn hytrach na chymryd mai 664 nm ydyw, a gwanhewch uwchnatantau cryf yn ôl i'r ystod linol.

Y cyfrifiad enghreifftiol

Mae cynhwysedd yn deillio o gydbwysedd màs. Mae'r lliw sydd ar goll o'r hydoddiant yn gorwedd ar y carbon:

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

lle mae qe yn gymeriant ar gydbwysedd mewn mg/g, C0 a Ce yn grynodiadau cychwynnol ac ar gydbwysedd mewn mg/L, V yn gyfaint mewn litrau, ac m yn fàs carbon mewn gramau.

Y pwynt cyntaf. Dechreuwch gyda C0 = 100 mg/L, V = 0.100 L, m = 0.0200 g. Ar ôl cydbwyso, mae'r offeryn yn rhoi Ce = 35 mg/L. Yna qe = (100 minus 35) times 0.100 divided by 0.0200 = 65 times 0.100 divided by 0.0200 = 325 mg/g. Y ganran a dynnir yw (100 minus 35) divided by 100 times 100 = 65 y cant.

Yr ail bwynt, gyda'r un dos a chyfaint, ond llwyth uwch. Dechreuwch gyda C0 = 200 mg/L a mesurwch Ce = 90 mg/L. Yna qe = (200 minus 90) times 0.100 divided by 0.0200 = 550 mg/g, tra bo'r ganran a dynnir yn (200 minus 90) divided by 200 times 100 = 55 y cant.

Mae'r ddau bâr hyn, (Ce = 35, qe = 325) a (Ce = 90, qe = 550), yn ddau bwynt ar isotherm. Sylwch ar y tueddiadau gwrthgyferbyniol: cododd y cynhwysedd o 325 i 550 mg/g tra gostyngodd y ganran a dynnwyd o 65 i 55 y cant. Mae cynhwysedd a'r ganran a dynnir yn symud i gyfeiriadau croes wrth i'r crynodiad godi. Mae unrhyw un sy'n rhoi carbonau mewn trefn yn ôl y ganran a dynnir, wedi'i mesur ar ddosau neu grynodiadau gwahanol, yn graddio'r arbrawf, nid y deunydd.

Y newidynnau y mae'n rhaid eu rheoli

Mae pob eitem isod yn newid y rhif. Cadwch bob un yn sefydlog neu cofnodwch ef.

Dos. Mae mwy o garbon yn golygu mwy o safleoedd, felly mae'r ganran a dynnir yn codi tra bo'r cymeriant fesul gram fel arfer yn gostwng, oherwydd bod y lliw a ddaliwyd wedi'i wasgaru dros fwy o fàs. Adroddwch y dos mewn g/L ynghyd â'r V a'r m sy'n sail iddo.

Crynodiad cychwynnol. Mae C0 uwch yn darparu grym gyrru mwy, felly mae qe yn codi tra bo'r ganran a dynnir yn gostwng wrth i'r safleoedd ddirlenwi. Mae isothermau a ffitiwyd dros 5 i 50 mg/L a thros 100 i 400 mg/L yn disgrifio rhanbarthau gwahanol o'r gromlin. Cymharwch gynhwyseddau wedi'u ffitio dim ond dros ystodau sy'n gorgyffwrdd.

pH. Ar gyfer y lliw cationig hwn, mae'r cymeriant yn aml yn codi gyda pH, yn enwedig uwchlaw pwynt gwefr sero'r carbon, lle mae gwefr net yr arwyneb yn troi'n negatif. Mae pH isel yn protonadu safleoedd arwyneb ac yn caniatáu i ïonau hydrogen gystadlu amdanynt. Mae maint yr effaith yn benodol i'r carbon: mewn un astudiaeth o garbon actif, cododd y cymeriant o tua 51 mg/g ar pH 2 i tua 92 mg/g ar pH 8. Cofnodwch y pH cychwynnol a'r pH ar gydbwysedd ynghyd â'r halwynau cefndir, gan fod cryfder ïonig yn sgrinio'r un grymoedd ag y mae pH yn eu haddasu.

Amser cyswllt. Mae'r cymeriant yn dringo'n serth, ac yna'n gwastatáu. Dim ond gwerth y llwyfandir yw qe; qt yw unrhyw werth cyn hynny. Mae amseroedd cydbwyso cyhoeddedig yn amrywio o funudau i oriau lawer ar draws carbonau gwahanol, gyda chyfnodau cyswllt o 24 awr mewn rhai gweithdrefnau safonol. Pennwch y llwyfandir drwy astudio cineteg eich carbon yn hytrach na chymryd bod dwy awr yn ddigon.

Tymheredd. Nid oes cyfeiriad cyffredinol. Mae'r cymeriant yn codi gyda thymheredd mewn systemau endothermig ac yn gostwng mewn rhai ecsothermig, felly mesurwch ef yn hytrach na thybio.

Maint gronynnau a chynhyrfu. Mae gronynnau mân yn byrhau llwybrau trylediad ac fel arfer yn cyflymu'r cymeriant; mae cynhyrfu cryfach yn teneuo'r haen lonydd o amgylch gronynnau ac yn gwneud yr un peth. Mae'r ddau yn newid y gyfradd, nid y cydbwysedd ei hun. Mae cynhwysedd sy'n ymateb i gyflymder troi yn rhybudd na chyrhaeddwyd cydbwysedd erioed.

Mae hunaniaeth yr adweithydd yn perthyn yn y cofnod hefyd, a dyna pam y mae gwiriadau ar burdeb a manyleb y lliw yn eistedd ochr yn ochr â màs y carbon: gellir gwerthu glas methylen fel yr halen anhydrus ger 319.9 g/mol neu'r trihydrad ar 373.90 g/mol, ac mae gwerth yr asesiad masnachol yn aml yn is na 100 y cant. Mae C0 enwol a gyfrifir o'r màs fformiwla anghywir yn gwneud pob qe yn anghywir yn systematig.

Beth mae'r cromliniau wedi'u ffitio yn ei ddweud, a beth nad ydynt yn ei ddweud

Mae ffit Langmuir yn ysgrifennu qe fel qmax times KL times Ce divided by (1 plus KL times Ce). Mae'n rhoi cynhwysedd dirlawnder wedi'i ffitio, qmax, mewn mg/g a chysonyn affinedd KL mewn L/mg. Mae ffit dda yn golygu bod y gromlin dirlawnder benodol hon yn disgrifio'r ystod crynodiadau a fesurwyd yn dda. Nid yw'n profi bod gan y carbon un boblogaeth unffurf o safleoedd, bod y gorchudd yn un haen yn unig, na bod unrhyw fecanwaith moleciwlaidd penodol yn gweithredu. Mae carbonau mandyllog heterogenaidd yn aml yn cynhyrchu cromliniau ar ffurf Langmuir dros ystodau cyfyngedig.

Mae ffit Freundlich yn ysgrifennu qe fel KF times Ce to the power 1/n. Mae KF yn gosod graddfa empirig y cynhwysedd ac mae 1/n yn gosod y crymedd. Gan nad oes gan y ffurf hon lwyfandir meidraidd, ni ddylid byth ei hallosod i ddyfeisio qmax. Dim ond bod ei siâp esgynnol yn cyfateb yn well i'r cyfwng a fesurwyd y mae ffit Freundlich well yn ei olygu. Pa hafaliad bynnag a ddefnyddir, ffafriwch atchweliad aflinol ar y ffurf wreiddiol, oherwydd bod trawsffurfiadau llinoleiddiedig yn ystumio'r gwallau, ac archwiliwch y gweddillion yn hytrach nag ymddiried yn R sgwâr yn unig.

Beth mae 914 o arbrofion yn ei ddysgu

Modelodd dadansoddiad dysgu peirianyddol o 914 o arbrofion o 75 o bapurau gymeriant glas methylen ar draws cleiau, lludwau, a deunyddiau wedi'u hactifadu ag alcali, gan ddefnyddio coed atchweliad wedi'u hatgyfnerthu gan raddiant. Ei brif ganlyniad: crynodiad cychwynnol y lliw oedd prif ragfynegydd y cymeriant a adroddwyd, gyda pH, hunaniaeth y deunydd crai, a'r math o addasiad hefyd yn bwysig, a chyda rhyngweithiadau cryf rhwng crynodiad a bron pob newidyn arall, gan gynnwys dos, arwynebedd arwyneb, amser cyswllt, a chynhyrfu.

Mae dau rybudd yn cadw'r canfyddiad hwn yn ddefnyddiol. Yn gyntaf, nid oedd yr astudiaeth honno'n cynnwys carbon actif, felly ni all roi newidynnau mewn trefn ar gyfer carbon. Yn ail, mae ei gwers yn ymwneud â methodoleg ac yn trosglwyddo'n glir: nid yw crynodiad cychwynnol byth yn newidyn aflonyddgar yn unig, ac mae amodau gweithredu yn rhyngweithio â phriodweddau deunydd yn rhy gryf i unrhyw restr raddio mg/g gryno barhau'n ddilys heb ei hamodau. Dyna'r un casgliad ag y mae'r cyfrifiad enghreifftiol yn ei gyrraedd o egwyddorion sylfaenol.

Dau gamgymeriad i roi'r gorau iddynt

Yn gyntaf, peidiwch ag adrodd y ganran a dynnir fel cynhwysedd. Gall dos mawr ddadliwio 99 y cant o hydoddiant gwan tra'n dal ychydig filigramau fesul gram, a gall dos bach mewn hydoddiant cryf ddal cannoedd o filigramau fesul gram tra'n gadael lliw gweladwy. Adroddwch C0, Ce, V, m, y dos mewn g/L, y ganran a dynnir, a qe gyda'i gilydd bob amser, neu ni ellir ailddefnyddio'r rhif.

Yn ail, peidiwch â galw gwerth ar amser penodol yn qe heb ddangos y llwyfandir cinetig, a pheidiwch â safoni'r lliw yn ôl y màs ar y label. Dilyswch y cydbwysedd â chyfres amser, dilyswch y crynodiad yn sbectroffotometrig yn hytrach nag ymddiried yn y màs a bwyswyd ar sail y label o ystyried problem yr hydrad a'r asesiad, a rheolwch pH, tymheredd, maint gronynnau, a chynhyrfu. Mae cynhwysedd glas methylen gyda'r cofnodion hynny ynghlwm yn fesuriad trosglwyddadwy. Hebddynt, hanesyn ydyw.