Metüleensinise adsorptsioonikatsed ja aktiivsüsi: katse läbiviimine ja tulemuse tõlgendamine

Labor võrdleb kaht aktiivsütt. Ühe andmelehel esitatud metüleensinise arv on teise omast kolm korda suurem. Labor ostab suurema näiduga söe, määrab selle järgi kasutatava koguse ning värvaine murrab varakult läbi. Midagi ei olnud võltsitud. Kaks arvu pärinesid erinevatest katsetest, kuid ostja tõlgendas neid sama suurusena.

See artikkel parandab selle tõlgendusvea. See selgitab, mida katse mõõdab, teeb arvutuse kaks korda tegelike arvudega ja nimetab kõik tulemust mõjutavad muutujad. Eri adsorbentide omavahelise järjestamisega seotud küsimust käsitletakse eraldi; siin keskendume ühele materjaliklassile ja ühele meetodile.

Miks kasutatakse proovimolekulina just seda värvainet

Metüleensinine on katioonne, tasapinnaline aromaatne värvaine. Vees esineb see positiivselt laetud ioonina ning selle molekuli mõõtmed on ligikaudu 1.43 korda 0.61 korda 0.40 nm. Just suurus ongi oluline. Teine klassikaline proovimolekul, jood, on palju väiksem ja pääseb kitsastesse mikropooridesse, mistõttu joodiarv kajastab mikropooride arengut. Metüleensinine vajab laiemaid sissepääse: see pääseb pooridesse, mis on suuremad kui ligikaudu 0.75 nm, kusjuures olulise panuse annavad umbes 1.4 kuni 3 nm poorid. Need mõõtmed hõlmavad suuremaid mikropoore ja väikseid mesopoore, seega on katse nimetamine puhtalt mesopooride mõõdikuks liigne lihtsustus. Need kaks proovimolekuli täiendavad teineteist. Jood näitab, kui palju on peent poorsust. Metüleensinine näitab, kui palju pooriruumi mahutab suure orgaanilise molekuli, mis on värvaine eemaldamisel oluline küsimus. Kumbki arv ei ennusta üksinda teiste molekulide adsorptsiooni.

Laeng on sama oluline kui suurus. Kuna värvaine on katioonne, tõmbavad negatiivselt laetud pinnad seda ligi ja positiivselt laetud pinnad tõukavad eemale. Seetõttu on pH esmatähtis muutuja, mitte kõrvalmärkus, nagu näitavad allpool kirjeldatud katsed.

Kuidas perioodiline katse läbi viiakse

Tavapärases laborikatses lastakse suletud süsteemil saavutada tasakaal. Valmistage süsi ette, sõeluge see kindla osakeste suurusega fraktsiooniks ja kaaluge teadaolev mass m. Lisage teadaolev ruumala V värvainelahust algkontsentratsiooniga C0. Hoidke pH ja temperatuur muutumatuna, segage katseliselt kinnitatud aja jooksul ning eraldage seejärel süsi filtreerimise või tsentrifuugimisega. Määrake järelejäänud kontsentratsioon Ce UV-Vis-neelduvuse põhjal, tavaliselt 660 kuni 665 nm lähedal ja sageli 664 nm juures, kasutades samal seadmel mõõdetud kalibreerimisseeriat. Ühes avaldatud protseduuris kasutati 0.050 g sütt ja 50 mL lahust kontsentratsioonivahemikus 10 kuni 1000 mg/L, hoiti neid 24 tundi temperatuuril 25 C ning mõõdeti lainepikkusel 660 nm. Ühtset universaalset protokolli ei ole, seega pole ilma söe annuse, kontsentratsioonivahemiku, aja, temperatuuri, pH ja lainepikkuseta esitatud väärtus tulemus. See on kuulujutt.

Kvantitatiivne määramine nõuab sama rangust, mida kirjeldatakse neelduvusel põhineva värvainemõõtmise puhul: kalibreerige oma seadmel, kontrollige neeldumismaksimumi, selle asemel et eeldada 664 nm, ning lahjendage suure kontsentratsiooniga supernatandid tagasi lineaarsesse mõõtepiirkonda.

Arvutusnäide

Adsorptsioonimaht tuleneb massibilansist. Lahusest kadunud värvaine asub söel:

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

kus qe on tasakaalus adsorbeerunud kogus ühikutes mg/g, C0 ja Ce on alg- ja tasakaalukontsentratsioon ühikutes mg/L, V on ruumala liitrites ning m on söe mass grammides.

Esimene punkt. Algtingimused on C0 = 100 mg/L, V = 0.100 L, m = 0.0200 g. Pärast tasakaalu saavutamist näitab seade Ce = 35 mg/L. Siis qe = (100 minus 35) times 0.100 divided by 0.0200 = 65 times 0.100 divided by 0.0200 = 325 mg/g. Eemaldusprotsent on (100 minus 35) divided by 100 times 100 = 65 protsenti.

Teine punkt, sama söe annus ja ruumala, suurem värvainekoormus. Algkontsentratsioon on C0 = 200 mg/L ja mõõdetud tulemus Ce = 90 mg/L. Siis qe = (200 minus 90) times 0.100 divided by 0.0200 = 550 mg/g, samas kui eemaldus on (200 minus 90) divided by 200 times 100 = 55 protsenti.

Need kaks paari, (Ce = 35, qe = 325) ja (Ce = 90, qe = 550), on isotermi kaks punkti. Pange tähele vastassuunalist muutust: adsorptsioonimaht kasvas väärtuselt 325 väärtusele 550 mg/g, samal ajal kui eemaldus vähenes 65 protsendilt 55 protsendile. Kontsentratsiooni kasvades liiguvad adsorptsioonimaht ja eemaldusprotsent vastassuundades. Kes järjestab süsi eri annuste või kontsentratsioonide juures mõõdetud eemaldusprotsendi järgi, järjestab katseid, mitte materjale.

Muutujad, mida tuleb kontrollida

Iga allpool nimetatud tegur muudab tulemust. Hoidke igaüks neist muutumatuna või registreerige see.

Söe annus. Rohkem sütt tähendab rohkem adsorptsioonikohti, seega eemaldusprotsent suureneb, kuid adsorbeerunud kogus grammi kohta tavaliselt väheneb, sest seotud värvaine jaotub suuremale massile. Esitage söe annus ühikutes g/L koos selle aluseks olevate V ja m väärtustega.

Algkontsentratsioon. Suurem C0 tekitab suurema adsorptsiooni liikumapaneva jõu, mistõttu qe suureneb, kuid eemaldusprotsent väheneb adsorptsioonikohtade küllastudes. Vahemikes 5 kuni 50 mg/L ja 100 kuni 400 mg/L sobitatud isotermid kirjeldavad kõvera eri piirkondi. Võrrelge sobitatud adsorptsioonimahte ainult kattuvates vahemikes.

pH. Selle katioonse värvaine adsorptsioon suureneb sageli koos pH-ga, eriti üle söe nulllaengupunkti, kus pinna summaarne laeng muutub negatiivseks. Madal pH protoneerib pinnal olevaid adsorptsioonikohti ja võimaldab vesinikioonidel nende pärast konkureerida. Mõju suurus sõltub konkreetsest söest: ühes aktiivsöeuuringus suurenes adsorbeerunud kogus ligikaudu 51 mg/g juurest pH 2 korral ligikaudu 92 mg/g-ni pH 8 korral. Registreerige alg- ja tasakaalu-pH ning taustsoolad, sest ioontugevus varjestab samu jõude, mida pH mõjutab.

Kontaktaeg. Adsorbeerunud kogus kasvab kiiresti ja saavutab seejärel platoo. Ainult platoo väärtus on qe; kõik varasemad väärtused on qt. Eri süte avaldatud tasakaalustumisajad ulatuvad minutitest paljude tundideni ning mõnes standardprotseduuris kasutatakse 24 tunni pikkust kontaktaega. Määrake oma söe platoo kineetiliselt, selle asemel et eeldada kahe tunni piisavust.

Temperatuur. Üldkehtivat muutumissuunda ei ole. Endotermilistes süsteemides adsorptsioon temperatuuri tõustes suureneb ja eksotermilistes väheneb, seega mõõtke seda oletamise asemel.

Osakeste suurus ja segamine. Peenemad osakesed lühendavad difusiooniteed ja tavaliselt kiirendavad adsorptsiooni; intensiivsem segamine õhendab osakesi ümbritsevat seisvat vedelikukihti ja annab sama tulemuse. Mõlemad muudavad kiirust, mitte tasakaalu ennast. Segamiskiirusest sõltuv adsorptsioonimaht on hoiatus, et tasakaalu ei saavutatudki.

Ka kasutatud reagendi täpne vorm kuulub katseandmete hulka, mistõttu värvaine puhtuse ja spetsifikatsiooni kontroll käib söe massi registreerimise kõrval: metüleensinist võidakse müüa veevaba soolana molaarmassiga ligikaudu 319.9 g/mol või trihüdraadina molaarmassiga 373.90 g/mol ning kaubandusliku toote määratud sisaldus on sageli alla 100 protsendi. Vale valemmassi põhjal arvutatud nimiväärtus C0 muudab kõik qe väärtused süstemaatiliselt valeks.

Mida sobitatud kõverad näitavad ja mida mitte

Langmuiri mudelis väljendatakse qe kujul qmax korda KL korda Ce jagatud avaldisega (1 pluss KL korda Ce). See annab sobitatud küllastusmahu qmax ühikutes mg/g ja afiinsuskonstandi KL ühikutes L/mg. Hea sobivus tähendab, et see konkreetne küllastuskõver kirjeldab mõõdetud kontsentratsioonivahemikku hästi. See ei tõesta, et söel on üks ühtlane adsorptsioonikohtade kogum, et katvus on rangelt monokihiline või et toimib mõni konkreetne molekulaarne mehhanism. Heterogeensed poorsed söed annavad piiratud vahemikes sageli Langmuiri kujuga kõveraid.

Freundlichi mudelis väljendatakse qe kujul KF korda Ce astmes 1/n. KF määrab empiirilise adsorptsioonimahu skaala ja 1/n kõveruse. Kuna sellel kujul puudub lõplik platoo, ei tohi seda kunagi ekstrapoleerida qmax väärtuse väljamõtlemiseks. Freundlichi mudeli parem sobivus tähendab ainult seda, et selle tõusev kuju vastab mõõdetud vahemikule paremini. Olenemata kasutatud võrrandist eelistage mittelineaarset regressiooni algkujul, sest lineariseerivad teisendused moonutavad vigu, ning uurige jääke, selle asemel et usaldada ainult R-ruutu.

Mida õpetavad 914 katset

75 artiklist pärit 914 katse masinõppeanalüüs modelleeris metüleensinise adsorptsiooni savidel, tuhkadel ja leelisega aktiveeritud materjalidel, kasutades gradiendivõimendusega regressioonipuid. Põhitulemus oli järgmine: värvaine algkontsentratsioon oli esitatud adsorbeerunud koguse peamine ennustaja; olulised olid ka pH, lähtematerjal ja modifitseerimise tüüp. Kontsentratsioonil olid tugevad koosmõjud peaaegu kõigi teiste muutujatega, sealhulgas annuse, pindala, kontaktaja ja segamisega.

Kaks ettevaatusabinõu aitavad seda tulemust õigesti kasutada. Esiteks ei hõlmanud uuring aktiivsütt, seega ei saa selle põhjal järjestada aktiivsütt mõjutavaid muutujaid. Teiseks on selle õppetund metodoloogiline ja selgelt ülekantav: algkontsentratsioon ei ole kunagi pelgalt segav kõrvalmuutuja ning töötingimused mõjutavad materjali omadusi liiga tugevalt, et ükski mg/g põhjal koostatud üldine paremusjärjestus säilitaks tähenduse ilma vastavate tingimusteta. Sama järelduseni jõuab ka arvutusnäide aluspõhimõtetest lähtudes.

Kaks viga, mida vältida

Esiteks lõpetage eemaldusprotsendi esitamine adsorptsioonimahuna. Suur söe annus võib eemaldada lahjast lahusest 99 protsenti värvainest, sidudes vaid mõne milligrammi grammi kohta, samas kui väike annus kontsentreeritud lahuses võib siduda sadu milligramme grammi kohta ja jätta siiski nähtava värvuse. Esitage alati koos C0, Ce, V, m, söe annus ühikutes g/L, eemaldusprotsent ja qe, muidu ei saa tulemust uuesti kasutada.

Teiseks lõpetage kindlal ajahetkel saadud väärtuse nimetamine qe-ks ilma kineetilist platood näitamata ning värvainelahuse kontsentratsiooni määramine üksnes märgistusel põhineva kaalumise järgi. Kontrollige tasakaalu aegridade abil, määrake kontsentratsioon spektrofotomeetriliselt, selle asemel et hüdraadivormi ja sisalduse probleemi tõttu usaldada üksnes märgistuse alusel kaalutud massi, ning kontrollige pH-d, temperatuuri, osakeste suurust ja segamist. Metüleensinise adsorptsioonimaht, millele on lisatud need andmed, on teistesse katsetingimustesse ülekantav mõõtetulemus. Ilma nendeta on see üksik tähelepanek.