Niðurbróting av metýlenbláum og ljóskatalysa: tulking av úrslitum um burturbeining

Ein starvsstova roynir tveir katalysatorar til ljóskatalytiska niðurbróting av metýlenbláum. Katalysator A beinir fyri 95 prosentum av bláa litinum eftir einum tíma. Katalysator B megnar bert 60 prosent. Toymið útnevnir A til vinnara, skrivar tað í eina frágreiðing og bíleggur meira av honum. Nakrar mánaðir seinni vísir ein kolevnisgreining sannleikan: meginparturin av litevninum, sum A hevði beint burtur, sat óbroytt á fasta yvirflatuni, meðan B í veruleikanum hevði brotið fleiri litevnissameindir sundur. Raðfestingin var øvug, tí toymið mátaði eitt fyribrigdi og nevndi tað eitt annað.

Henda villa er vanlig, tí fýra ymisk hugtøk hava somu sjónligu ábending: blái løgurin verður bleikur. Adsorptión, avliting, niðurbróting og mineralisering kunnu øll geva hetta úrslitið, men hvørt teirra sigur nakað ymiskt um, hvat er hent við litevninum. Metýlenblátt verður brúkt í fleiri greiningar- og umhvørvisnýtslum, har litevnið hevur ein ávísan leiklut. Her er leikluturin at vera eitt modell-dálkingarevni, sum verður beint burtur ella ummyndað. Áðrenn tú samanber katalysatorar ella almannakunnger eitt prosenttal fyri burturbeining, mást tú gera av, hvørjum endapunkti mátingarnar í veruleikanum kunnu stuðla.

Fýra endapunkt, fýra ymiskar útsagnir

Hugsa um hesi sum fýra hugtøk við ymiskum verkligum meginreglum. Hvørt svarar einum øðrum spurningi, og hvørt krevur sína egnu próvførslu.

Adsorptión merkir, at litevnissameindir fara úr loysnini og seta seg á fasta tilfarið uttan neyðturviliga at broytast kemiskt. Royndin verður gjørd í myrkri, til upptøkan veruliga er støðug, og álítandi próvførsla fevnir um litevni, ið verður endurvunnið úr fasta tilfarinum við desorptión ella ekstraktión. Eitt fast tíðarskeið á 30 minuttir í myrkri er ikki prógv fyri javnvág í øllum tilfari, og ein nýggj umrøða av royndarháttum vísir, hvussu tað at leypa hetta stigið um gevur skeivar raðfestingar av katalysatorum, tá upptøkan í myrkri er ymisk millum tilfar.

Avliting merkir, at sjónligi kromoforurin hvørvur. Hetta verður vanliga fylgt nær høvuðsabsorptiónsbandinum um 664 nm. Adsorptión, reduktión, N-demetýlering og klýving av kromoforinum kunnu øll lækka hetta mátivirðið, so eitt virði við einari einstakari bylgjulongd kann ikki vísa orsøkina. Skráset heil spektrur heldur enn eitt einstakt tal: ein flyting av toppinum móti styttri bylgjulongdum samsvarar við demetýleraðar avurðir úr Azure-familjuni. Eitt úrslit, sum verður lýst sum 95 prosent burturbeining við 664 nm, eigur at verða kallað 95 prosent avliting, ikki 95 prosent niðurbróting.

Niðurbróting merkir, at upprunaliga metýlenbláa sameindin er kemiskt ummyndað. Próvførslan er kromatografisk: óbroytt litevni hvørvur í HPLC ella UPLC, meðan ummyndingaravurðir koma fram og síðani sjálvar verða brotnar niður, helst eyðmerktar við LC-MS. Gagnlig eyðkenni fevna um sameindajónina nær m/z 284 fyri upprunaliga litevnið og stigvísu demetýleringsrøðina Azure B nær 270, Azure A nær 256, Azure C nær 242 og thionin nær 228. Fyri hesi eru gildiskannaðar LC-MS/MS-jónaflytingar fyri litevni í vatni almannakunngjørdar.

Mineralisering merkir, at lívrunnið kolevni er ummyndað til ólívrunnar endaavurðir, serliga koltvísúrni og ólívrunnið kolevni, meðan køvievni og svávul enda í evnum sum ammonium, nitrat og sulfat. Minking í samlaðum lívrunnum kolevni (TOC) er vanliga kolevnismátingin. Minking í kemiskum súrevnistørvi (COD) vísir eina minkandi nøgd av evnum, sum kunnu oxiderast, men er ikki ein kolevnismassajavni og staðfestir ikki í sjálvum sær fulla mineralisering. Jónkromatografi fyri sulfat, nitrat og ammonium styrkir próvførsluna.

Katalysatorvariantar (dopað titandioksid, komposittar, tilfar við kolevni sum berara og líknandi) hoyra bert heima í einari felags samanbering, tá allir variantar verða kannaðir við somu endapunktum og kontrolroyndum. Ein komposittur, sum adsorberar nógv, fer altíð at síggja skjótur út í einari litarroynd. Júst tí skilur eftirlitslistin niðanfyri upptøku frá reaktión, áðrenn nøkur raðfesting verður gjørd.

Mekanisman í ljóskatalytiskari niðurbróting av metýlenbláum

Viðurkendi bólkurin av reaktiónarleiðum við veruligari örvan av hálvleiðaranum er samandráttarliga lýstur í eini nógv endurgivnari yvirlitsgrein um ljóskatalytiska niðurbróting av litevnum á tilfari grundaðum á titandioksid. Absorberaðar fotonir skapa elektronir í leiðibandinum og hol í valensbandinum. Hol oxidera vatn ella hydroxid á yvirflatuni til hydroxylradikalar, meðan elektronir redusera upployst súrevni til superoxid. Framhaldandi kemi umvegis hydroperoxylradikalar og hydrogenperoxid skapar fleiri hydroxylradikalar. Hesar reaktivu súrevnisslagirnar og holini sjálv leypa síðani á litevnið.

Ummynding av metýlenbláum byrjar vanliga við stigvísari N-demetýlering gjøgnum Azure B, Azure A og Azure C móti thionini, samstundis sum fenothiazin-kromoforurin verður oxideraður. Framhaldandi radikálálop brýtur kolevnis-svávul- og kolevnis-køvievnisbindingar, letur aromatisku ringarnar upp og gevur fenol- og anilinlíknandi sambindingar, aldehyd og karboxylsýrur við lágari sameindavekt, áðrenn mineralisering at enda fer fram. Ein serstøk yvirlitsgrein um eginleikar hjá metýlenbláum og reaktiónarleiðir fyri ljósniðurbroting lýsir henda bólkin nágreiniliga. Neyvu lutføllini millum reaktiónargreinarnar eru treytað av katalysatori, pH, súrevnisveiting og geisling. Sí tí skemaið sum ein bólk av møguligum reaktiónarleiðum heldur enn eina kravda røð.

Tveir royndartættir eiga at fáa serliga ans, tí teir broyta ta reaktiónsgongd, sum verður mátað, uttan at broyta sjálvan katalysatorin. pH broytir yvirflatuløðingina og hydroxyleringina á titandioksidi. Tað broytir adsorptiónina av kationiska litevninum og sostatt ferðina, sum verður eygleidd; samanber tilfar við sama pH og skráset byrjunar- og endavirði. Upployst sølt og buffarar virka á líknandi hátt: klorid, fosfat, karbonat og sulfat kunnu taka pláss á yvirflatuni og broyta radikálkemina. Ein málrættað kanning av ólívrunnum søltum í ljóskatalysu við titandioksidi skjalprógvar ávirkanina beinleiðis á metýlenblátt.

Fellan við sjónligum ljósi

Óbroytt titandioksid krevur örvan við nær-UV-ljósi, men nógvar frágreiðingar vísa avliting av metýlenbláum undir lampum, sum bert geva sjónligt ljós, og tulka hetta sum, at katalysatorurin er virkin í sjónligum ljósi. Tann líklega mekanisman er ljósnæming frá litevninum: tað örvaða litevnið flytur eina elektron inn í hálvleiðaran, og henda elektronin reduserar súrevni, so liturin hvørvur uttan veruliga örvan tvørtur um bandgloppið í fasta tilfarinum. Royndararbeiði hjá Ohtani og starvsfeløgum um trupulleikan við sjónligum ljósi vísti hesa villukeldu, og lýsingin av gildisøkinum hjá ISO 10678 ger markið greitt við at avmarka royndarháttin við metýlenbláum til UV-geisling og útiloka útsagnir um virksemi í sjónligum ljósi.

Verkliga royndin er einføld. Endurtak royndina við einum litleysum royndarevni, sum ikki absorberar sjónligt ljós, og samanber, hvussu ferðin er treytað av bylgjulongd, við absorptiónsspektrið hjá katalysatorinum. Um virksemið fylgir absorptiónini hjá litevninum heldur enn henni hjá katalysatorinum, stuðlar úrslitið ljósnæming, ikki innbygdari ljóskatalysu við sjónligum ljósi. Hav hesa royndina í huga, tá tú lesur útsagnir frá veitarum um katalysatorvariantar til sjónligt ljós.

Eftirlitslisti fyri endapunkt

Brúka henda listan, áðrenn tú raðfestir katalysatorar ella skrivar eina útsøgn um burturbeining. Hann er tað amboðið á hesi síðu, sum kann brúkast aftur og aftur: hvør roynd við niðurbróting av metýlenbláum eigur at lúka øll punktini.

1. Kontrolroynd fyri adsorptión í myrkri: litevni og katalysatorur, einki ljós, rørt til eitt mátað støðugt støði við endurvinning úr fasta fasanum, ikki ein meting grundað á fasta tíð.
2. Kontrolroynd fyri fotolysu: litevni og ljós, eingin katalysatorur, fyri at máta beinleiðis avliting undir tíni lampu og við tínari uppseting.
3. Greiningarblankroynd: katalysatorur og ljós, einki litevni, fyri at skráseta bakgrundssignal í TOC, jónum og spektrum.
4. Fastar reaktiónsumstøður: lampuspektrið, fotonstreymur, hiti, blanding, upployst súrevni, reaktorsnið, byrjunarstyrki av litevni, nøgd av katalysatori, pH og matrisa verða hildin óbroytt millum variantar.
5. Skiljing av fasta tilfarinum undan spektroskopi: filtrera ella sentrifugera, so spjaðing ikki verður lisin sum absorbansur.
6. Heil spektrur, ikki ein bylgjulongd: legg spektralskanningina fram, so toppflytingar og nýggj bond framvegis síggjast.
7. Kromatografisk váttan av hvørjari útsøgn um niðurbróting: minking í óbroyttum upprunaligum litevni umframt avurðir, ið verða fylgdar.
8. Kolevnisroknskapur fyri hvørja útsøgn um mineralisering: TOC við blankroyndum og ein kanning av, at kolevni, ið verður roknað sum horvið, ikki bara er flutt yvir á fasta tilfarið.
9. Útlutingarkanning: tak fasta tilfarið heilt burtur (ein roynd av sama slagi sum heitfiltrering), geisla filtratið og greina upployst metall; heldur reaktiónin fram, bendir tað á eitt homogent íkast.
10. Rættvísandi heiti: kalla eitt úrslit við 664 nm avliting, eitt kromatografiskt úrslit niðurbróting og eitt TOC-úrslit mineralisering.

Ein nýggj kanning við UV-LED-ljósreaktori, sum sameinir adsorptiónsroyndir, skiljing av katalysatori, UV-vis og TOC, vísir, hvussu hesi mátingarløg kunnu savnast í einum parti um royndarhátt.

Útroknað dømi um massajavna

Hugsa tær, at ein 100 mL roynd byrjar við 10 mg/L av metýlenbláum, so reaktorurin inniheldur 1.0 mg av litevni. Eftir javnvág í myrkri vísir loysnin 8.0 mg/L. Tað merkir, at 0.2 mg sita á fasta tilfarinum, og 0.8 mg eru eftir upployst. Eftir einum tíma við geisling vísir kromatografisk greining av filtreraðu loysnini 2.0 mg/L av óbroyttum litevni (0.2 mg í loysn), desorptión endurvinnur 0.1 mg av óbroyttum litevni úr fasta tilfarinum, og TOC vísir, at 40 prosent av upprunaliga lívrunna kolevninum eru farin úr samlaðu skipanini við loysn og føstum tilfari sum ólívrunnið kolevni.

Javnin á kolevnisgrundarlagi er: upprunaligt kolevni er javnt við upprunaligt litevni í loysn pluss adsorberað upprunaligt litevni pluss lívrunnar millumavurðir pluss mineraliserað kolevni. Her eru 20 prosent av upprunaliga litevnismassanum eftir sum óbroytt upprunaligt litevni (0.2 mg í báðum fasunum tilsamans), 40 prosent eru mineraliserað, og tey írestandi 40 prosentini eru lívrunnar ummyndingaravurðir (millumavurðir í loysn ella á fasta tilfarinum, váttaðar av avurðartoppunum). Rætta fráboðanin er 80 prosent niðurbróting av upprunaliga litevninum við 40 prosent mineralisering, ikki 95 prosent av nøkrum. Legg merki til felluna: um TOC bara varð mátað í filtreraða omanáløgnum, høvdu adsorberað lívrunnin evni verið tald sum oyðiløgd og gjørt talið fyri mineralisering ov høgt. Máta kolevni í allari suspensjónini, har tað ber til, ella legg partin, sum er bundin at fasta tilfarinum, beinleiðis afturat aftur.

Regla fyri fráboðan

Tilskila veikasta endapunktið, sum próvførslan stuðlar, og legg síðani sterkari útsagnir afturat, so hvørt sum hvørt mátingarlag lýkur krøvini. Arbeiði við niðurbróting av metýlenbláum fær álit á sama hátt sum aðrir litevnisgrundaðir hættir: við at lata úrslitið samsvara við tann eginleikan, sum hátturin veruliga mátar. Ein tilhoyrandi vegleiðing um at lesa granskingarútsagnir grundaðar á litevni víðkar somu nágreiniligheit til kanningarsnið, og ein verklig mannagongd fyri at kanna royndarumstøður fevnir um kalibreringsvanar, sum kunnu flytast beinleiðis til arbeiði við ljósreaktorum.