Metüleensinise adsorbentide võrdlemine: mahutavus, kineetika, tingimused

Ühes uuringus teatatakse 58 mg/g. Teises 725 mg/g. Tekib kiusatus kuulutada teine adsorbent kaksteist korda paremaks ja lugemine lõpetada. Selline järjestus on tavaliselt sisutu, sest need kaks väärtust saadi erinevates tingimustes ja need ei pruugi isegi tähistada sama liiki näitajat.

Adsorptsiooni käsitlevates artiklites esitatakse kolm näitajat, mis näevad sarnased välja: eemaldusprotsent, mõõdetud sidumine ja mudeliga sobitatud mahutavus. Kui lisada värvaine sidumiseks pakutavate materjalide mitmekesisus ja viisid, kuidas värvaine keskkonnale reageerib, muutub võrdlemine enne järjestamist sobivate tingimuste kokkusobitamise ülesandeks.

Ettevaatuse vajadus tuleneb süsteemsest ülesehitusest, mitte üksikutest näidetest. Masinõppeanalüüs 914 katse kohta 75 artiklist, milles käsitleti savisid, tuhasid ja leelisega aktiveeritud materjale, leidis, et teatatud sidumist mõjutasid valdavalt katsetingimused ning tugevaim ennustaja oli värvaine algkontsentratsioon. 2024. aasta ülevaade lehtedest saadud adsorbentide kohta näitab, kui suurel määral erinevad protokollid isegi ühe materjalirühma sees. Kumbki allikas ei toeta edetabelit, mis põhineb üksnes esiletõstetud mg/g väärtustel.

Eemaldusprotsent ei ole mahutavus

Enamik eksitavaid järjestusi ajab segamini kolm mõistet. Eemaldusprotsent näitab, kui suur osa värvainest eemaldus ühest konkreetsest lahusest. Mõõdetud sidumine näitab, kui palju värvainet on tasakaaluolekus iga grammi adsorbendi kohta. Mudeliga sobitatud mahutavus näitab, millist küllastusväärtust prognoosib valitud isotermimudel suure kontsentratsiooni korral.

Esimesed kaks seob omavahel massibilanss:

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

kus qe on tasakaaluline sidumine ühikutes mg/g, C0 ja Ce on alg- ja tasakaalukontsentratsioonid, V on ruumala ning m on adsorbendi mass.

Arvuline näide näitab probleemi. Kui 0.1 L mahust, mille värvaine kontsentratsioon on 10 mg/L, eemaldatakse 1 g adsorbendiga 100 protsenti värvainest, saadakse vaid 1 mg/g. Kui 0.1 L mahust, mille värvaine kontsentratsioon on 1000 mg/L, eemaldatakse 0.1 g adsorbendiga 80 protsenti, saadakse 800 mg/g. Esimene tulemus näib protsendina täiuslik, kuid mahutavuse näitajana on sellest peaaegu kasutu. Iga järjestus, mis need kaks veergu omavahel segab, järjestab katseid, mitte materjale.

Sobitatud qmax lisab veel ühe tasandi. Metüleensinise adsorptsiooni isoterm kujutab qe sõltuvust Ce-st mitme algkontsentratsiooni korral. Langmuiri sobitus projitseerib kõvera lõpliku platoo suunas, mida nimetatakse qmax-iks; Freundlichi sobitus kirjeldab astmeseadust ilma platoota. Teatatud qmax on mudeliparameeter, mitte kaalumise teel saadud suurus. Kui mõõtepunktid platoole ei lähene, võivad viimaste punktide väikesed muutused qmax-i oluliselt nihutada.

Kuus tingimust, mis mõjutavad kõiki väärtusi

Doos. Rohkem pulbrit tähendab rohkem sidumiskohti, mistõttu eemaldusprotsent tavaliselt suureneb, kuid mg/g sidumine väheneb, sest seotud värvaine jaotatakse suurema massi peale. Väited 99 protsendi eemaldamise kohta doosidel 10 g/L ja 0.2 g/L erinevad materjalikasutuse tõhususe poolest viiskümmend korda. Märgi doos ühikutes g/L ja võrdle sidumist sama doosi korral.

Algkontsentratsioon. Suurem C0 annab suurema liikumapaneva jõu, mistõttu qe suureneb, samal ajal kui eemaldusprotsent väheneb sidumiskohtade küllastumisel. Vahemikus 100 kuni 400 mg/L sobitatud qmax kirjeldab kõvera teistsugust piirkonda kui vahemikus 5 kuni 50 mg/L sobitatud väärtus. Enne järjestamist nõua kattuvaid vahemikke.

pH. Metüleensinine on katioonne, seega määrab pinna laeng külgetõmbe. Pinna null-laengu punktist madalamal tõrjub pind värvainet; sellest kõrgemal tõmbab pind seda ligi. Uuringud, milles esitatakse ainult algne pH, jätavad olulise lünga, sest adsorptsioon nihutab tasakaaluväärtust. Märgi üles mõlemad ning ka taustsoolad, sest ioontugevus varjestab samu jõude, mida pH reguleerib. Sama põhimõte, mis hoiab absorbtsioonil põhineva kvantifitseerimise lahusti ja pH suhtes korrektsena, kehtib ka siin: väärtus kehtib koos tingimustega, milles see mõõdeti.

Aeg. 5 minuti järel võetud väärtus on qt, mitte qe. Kiirus ja suur mahutavus on eraldiseisvad omadused: lehepulbreid käsitlevates kirjandusandmetes on ühe protokolli puhul teatatud tasakaalu saavutamisest ligikaudu 60 minutiga ja teise puhul ligikaudu 160 minutiga. Võrdle tasakaaluväärtusi alles pärast kineetikakõvera stabiliseerumist ning esita varase aja sidumine eraldi kineetikatulemusena.

Temperatuur. Nii tasakaal kui ka difusioon reageerivad temperatuurile süsteemist sõltuval viisil. Ühes datlipalmi käsitlevas katseseerias suurenes Langmuiri qmax ligikaudu 43 mg/g-lt temperatuuril 30 C ligikaudu 58 mg/g-ni temperatuuril 60 C, mis tähendab 35 protsendi suurust nihet üksnes temperatuuri tõttu. Ära järjesta väga erinevatel temperatuuridel mõõdetud mahutavusi ilma seda erinevust esile toomata.

Aruandluse alus. Milligramme grammi kohta saab võrrelda ainult siis, kui gramm tähendab sama asja. Kuiv- ja märgmass erinevad niiskusesisalduse võrra ning komposiitgraanulid erinevad puhtast aktiivfaasist. Märgi nimetaja ja kõik niiskuskorrektsioonid. Filtrite puhul lisa mahutavuse ja puistetiheduse korrutis; pinnaefektiivsuse puhul lisa mahutavus jagatuna BET pindalaga, võttes arvesse, et kogu mõõdetud pind ei pruugi olla nii suurele molekulile nagu metüleensinine ligipääsetav. Selles etapis kuulub kirjesse ka reagendi identiteet, mistõttu reagendi puhtuse ja spetsifikatsiooni kontrollid käivad koos adsorbendi massi andmetega.

Mida isotermi- ja kineetikasobitused tegelikult näitavad

Levinud viga on käsitleda head sobivust mehhanismi tõendina. Metüleensinise Langmuiri ja Freundlichi võrdlus kontrollib, kumb võrrand kirjeldab mõõdetud vahemikus kõvera kuju paremini. See ei tõesta monokihilist katvust, homogeensust ega mitmekihilist moodustumist. Heterogeensed poorsed materjalid võivad piiratud vahemikus anda siiski Langmuiri kujuga kõveraid ning parem Freundlichi sobivus tähendab üksnes seda, et andmed jätkavad suurenemist selle võrrandi kirjeldatud viisil. Mehhanismi kinnitamiseks kasuta sõltumatuid tõendeid, näiteks spektroskoopiat, kalorimeetriat või sõltuvust ioontugevusest.

Sobituse kvaliteedi hindamise viis on oluline. Eelista mittelineaarset regressiooni, sest lineariseeritud teisendused moonutavad vigu ja võivad süstemaatiliselt üht mudelit soosida. Kontrolli jääke, mitte ainult R squared väärtust. Küsi, kas qmax jääb mõõdetud vahemikku või sellest väljapoole: suurimast mõõdetud qe-st palju kõrgem platoo on projektsioon ning lisaks väärtusele tuleb esitada ka selle määramatus.

Sama ettevaatlikkus kehtib metüleensinise adsorptsioonikineetika kohta. Lehtedest saadud adsorbente käsitlevas kirjanduses on pseudo-teist järku võrrand kõige sagedamini teatatud parima sobivusega mudel, kuid see ei tõesta kemisorptsiooni, nagu ka pseudo-esimest järku sobivus ei tõesta füüsisorptsiooni. Difusioon võib sõltuvalt osakeste suurusest ja segamisest jäljendada kumbagi võrrandit ning lineariseeritud graafikud on ajalooliselt kallutanud võrdlust pseudo-teist järku mudeli kasuks. Esita võrrand, kiiruskonstant, sobitatud tasakaaluväärtus, intervall, osakeste suurus ja segamine ning hoia kiirus ja mahutavus töölehel eraldi veergudes.

Avaldatud uuringute võrdlemise tööleht

Kopeeri see tabel iga uuringu jaoks eraldi. Võrdlus kehtib ainult seal, kus kontrollveerud kattuvad.

Tingimus	Mida üles märkida	Normaliseerimisreegel	Kui puudub, peatu
Doos	g/L, lisaks ruumala ja kogumass	Võrdle qe-d sama doosi korral; hoia eemaldusprotsent eraldi	Protsenti ei saa mahutavuseks teisendada
Kontsentratsioon	C0 seeria, Ce vahemik, kas platoo saavutati või mitte	Võrdle qmax-i ainult kattuvate vahemike korral	qmax võib olla puhas ekstrapolatsioon
pH	Algne ja tasakaaluline pH, soolad, null-laengu punkt, kui teada	Sobita ligikaudu ühe ühiku piires	Liikumapanev jõud teadmata
Aeg	Kontaktaeg, kineetikakõver, tasakaalukriteerium	Võrdle qe-d ainult tõendatud tasakaalu korral	Väärtus võib olla qt, mis on ekslikult märgitud qe-ks
Temperatuur	Iga isotermipunkti temperatuur	Võrdle samal temperatuuril	Temperatuurinihet peetakse ekslikult materjalierinevuseks
Aruandluse alus	Kuiv- või märgmass, niiskusfraktsioon, aktiivfaas versus komposiit, puistetihedus, BET pindala	Teisenda mg-ks kuiva grammi kohta; lisa ruumala- ja pindalaveerud	Nimetaja teadmata
Mudeli sobitamine	Võrrandid, lineaarne versus mittelineaarne sobitus, veamõõdik, jäägid, parameetrite määramatus	Eelista mittelineaarseid sobitusi; võrdle täielikke parameetrikomplekte	Parima sobivuse väide pole kontrollitav
Lahuse maatriks	Vee kvaliteet, ioontugevus, konkureerivad ioonid või orgaanilised ained	Sobita maatriks või märgi tulemus sõeluuringu tasemel	Toimivus pärisvees teadmata

Kaks kirjandusest pärit näidet näitavad, kuidas tööleht toimib. Datlipalmi käsitlevas katseseerias teatatakse tasakaalu saavutamisest ligikaudu 160 minutiga, optimaalsest väärtusest ligikaudu pH 6.5 juures, qmax-i suurenemisest koos temperatuuriga ning Temkini ja pseudo-teist järku mudelite eelistamisest kirjeldustena. Töödeldud bambuselehtede pulbri puhul teatatakse ligikaudu 725 mg/g väärtusest koos peaaegu täieliku eemaldamisega, kuid tingimustel 100 kuni 400 mg/L värvainet, doos 0.2 kuni 1.4 g/L ning ligikaudu 60 minutit tasakaalu saavutamiseni. Mõlemad võivad olla sisemiselt kehtivad, kuid neid ei saa omavahel järjestada enne, kui doos, kontsentratsioon, pH, temperatuur ja aruandluse alus on võrreldavad.

Õiglane lause on alati sama ülesehitusega: sama kontsentratsioonivahemiku, doosi, pH, temperatuuri, tasakaaluaja ja aruandluse aluse korral näitab materjal X suuremat sidumist kui materjal Y. Kõik lühemad väited kirjeldavad kahe katse, mitte kahe materjali erinevust.