મિથિલીન બ્લૂ અધિશોષણ પરીક્ષણો અને સક્રિય કાર્બન: પરીક્ષણ કરવું અને આંકડો સમજવો

એક પ્રયોગશાળા બે સક્રિય કાર્બનની તુલના કરે છે. એકની ડેટાશીટમાં મિથિલીન બ્લૂનું મૂલ્ય બીજાથી ત્રણ ગણું હોવાનો દાવો છે. પ્રયોગશાળા વધુ મોટો આંકડો ધરાવતો કાર્બન ખરીદે છે, તેના આધારે કાર્બનની માત્રા નક્કી કરે છે અને રંગક વહેલો જ કાર્બનમાંથી પસાર થવા લાગે છે. કોઈ માહિતી ખોટી નહોતી. બંને આંકડા અલગ પરીક્ષણોમાંથી આવ્યા હતા, પરંતુ ખરીદનારે તેમને એક જ રાશિ તરીકે સમજ્યા.

આ લેખ અર્થઘટનની એ ભૂલ સુધારે છે. તે પરીક્ષણ શું માપે છે તે સમજાવે છે, વાસ્તવિક આંકડા સાથે બે વાર ગણતરી કરે છે અને પરિણામ બદલતાં દરેક પરિબળને ઓળખાવે છે. જુદા અધિશોષકોને એકબીજાની સામે ક્રમ આપવાની સંબંધિત સમસ્યા અલગથી ચર્ચવામાં આવે છે; અહીં વિષય છે સામગ્રીનો એક વર્ગ અને એક પદ્ધતિ.

આ રંગકને તપાસક તરીકે શા માટે વપરાય છે

મિથિલીન બ્લૂ ધનાયનિક, સમતલીય એરોમેટિક રંગક છે. પાણીમાં તે ધનભારિત આયન તરીકે અસ્તિત્વ ધરાવે છે અને તેના અણુનાં પરિમાણો આશરે 1.43 બાય 0.61 બાય 0.40 nm છે. આ કદ જ તેની પસંદગીનું કારણ છે. બીજું પરંપરાગત તપાસક, આયોડિન, ઘણું નાનું છે અને સાંકડાં સૂક્ષ્મછિદ્રોમાં પ્રવેશી શકે છે, તેથી આયોડિન આંક સૂક્ષ્મછિદ્રોના વિકાસને દર્શાવે છે. મિથિલીન બ્લૂને વધુ પહોળાં પ્રવેશદ્વાર જોઈએ: તે આશરે 0.75 nm કરતાં મોટાં છિદ્રોમાં પ્રવેશી શકે છે, જેમાં આશરે 1.4 થી 3 nm ના છિદ્રોનું મહત્વનું યોગદાન હોય છે. આ પરિમાણોમાં મોટાં સૂક્ષ્મછિદ્રો અને નાનાં મધ્યછિદ્રો બંને સામેલ છે, તેથી આ પરીક્ષણને માત્ર મધ્યછિદ્રોનું તપાસક કહેવું અતિસરળીકરણ છે. બંને તપાસકો એકબીજાના પૂરક છે. આયોડિન દર્શાવે છે કે કેટલી બારીક છિદ્રાળુતા છે. મિથિલીન બ્લૂ દર્શાવે છે કે કેટલી છિદ્રજગ્યામાં મોટો કાર્બનિક અણુ પ્રવેશી શકે છે, અને રંગક દૂર કરવા માટે આ જ પ્રશ્ન મહત્વનો છે. કોઈ પણ આંકડો એકલો અન્ય અણુઓના અધિશોષણની આગાહી કરતો નથી.

વિદ્યુતભાર પણ કદ જેટલો જ મહત્વનો છે. રંગક ધનાયનિક હોવાથી તે ઋણભારિત સપાટીઓ તરફ આકર્ષાય છે અને ધનભારિત સપાટીઓથી અપાકર્ષાય છે. તેથી pH ગૌણ નોંધ નહીં, પરંતુ મુખ્ય પરિબળ છે, જેમ નીચેના પ્રયોગો દર્શાવે છે.

બેચ પરીક્ષણ કેવી રીતે કરવામાં આવે છે

પ્રયોગશાળામાં પ્રચલિત પદ્ધતિ બેચને સમતુલા સુધી પહોંચાડવાની છે. કાર્બનને નિર્ધારિત સ્થિતિમાં તૈયાર કરો, ચાળણીથી નિયંત્રિત કણકદનો અંશ અલગ કરો અને જાણીતું દળ m તોલો. પ્રારંભિક સાંદ્રતા C0 ધરાવતા રંગકના દ્રાવણનું જાણીતું કદ V ઉમેરો. pH અને તાપમાન સ્થિર રાખો, ચકાસાયેલા સમય સુધી હલાવો, પછી ગાળણ અથવા સેન્ટ્રિફ્યુગેશનથી કાર્બન અલગ કરો. એ જ સાધન પર તૈયાર કરેલી કેલિબ્રેશન શ્રેણીના આધારે UV-Vis શોષકતા વડે બાકી રહેલી સાંદ્રતા Ce નક્કી કરો; સામાન્ય રીતે આ માપન 660 થી 665 nm ની આસપાસ અને ઘણી વાર 664 nm પર થાય છે. એક પ્રકાશિત પદ્ધતિમાં 10 થી 1000 mg/L ની શ્રેણીમાં 50 mL દ્રાવણ સાથે 0.050 g કાર્બન વપરાયો હતો, 25 C પર 24 કલાક રાખવામાં આવ્યો હતો અને 660 nm પર માપન કરાયું હતું. કોઈ એક સર્વમાન્ય પ્રોટોકોલ નથી, તેથી કાર્બનની માત્રા, સાંદ્રતાની શ્રેણી, સમય, તાપમાન, pH અને તરંગલંબાઈ વિના જણાવેલું મૂલ્ય પરિણામ નથી. તે માત્ર અફવા છે.

જથ્થાત્મક માપન માટે પણ શોષકતા-આધારિત રંગક માપનમાં વર્ણવેલી જ શિસ્ત જરૂરી છે: તમારા સાધન પર કેલિબ્રેશન કરો, 664 nm માની લેવાને બદલે શિખરનું સ્થાન ચકાસો અને વધુ સાંદ્ર ઉપરના સ્વચ્છ દ્રાવણને મંદ કરીને ફરી રેખીય શ્રેણીમાં લાવો.

ઉદાહરણસહિત ગણતરી

ક્ષમતા દળના સંતુલન પરથી મળે છે. દ્રાવણમાંથી ગાયબ થયેલો રંગક કાર્બન પર રહેલો હોય છે:

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

અહીં qe એ mg/g માં સમતુલા સમયે અધિશોષિત માત્રા છે, C0 અને Ce અનુક્રમે mg/L માં પ્રારંભિક અને સમતુલા સાંદ્રતાઓ છે, V લિટરમાં દ્રાવણનું કદ છે અને m ગ્રામમાં કાર્બનનું દળ છે.

પ્રથમ બિંદુ. C0 = 100 mg/L, V = 0.100 L, m = 0.0200 g થી શરૂઆત કરો. સમતુલા પ્રાપ્ત થયા પછી સાધન Ce = 35 mg/L દર્શાવે છે. ત્યારે qe = (100 minus 35) times 0.100 divided by 0.0200 = 65 times 0.100 divided by 0.0200 = 325 mg/g. દૂર થયેલા રંગકની ટકાવારી (100 minus 35) divided by 100 times 100 = 65 ટકા છે.

બીજું બિંદુ, કાર્બનની માત્રા અને દ્રાવણનું કદ સમાન, પરંતુ રંગકનો ભાર વધુ. C0 = 200 mg/L થી શરૂઆત કરો અને Ce = 90 mg/L માપો. ત્યારે qe = (200 minus 90) times 0.100 divided by 0.0200 = 550 mg/g, જ્યારે દૂર થયેલા રંગકની ટકાવારી (200 minus 90) divided by 200 times 100 = 55 ટકા છે.

આ બે જોડીઓ, (Ce = 35, qe = 325) અને (Ce = 90, qe = 550), સમતાપી વક્રનાં બે બિંદુઓ છે. વિરુદ્ધ દિશામાં થતા ફેરફાર પર ધ્યાન આપો: ક્ષમતા 325 થી 550 mg/g થઈ, જ્યારે દૂર થયેલા રંગકની ટકાવારી 65 થી ઘટીને 55 ટકા થઈ. સાંદ્રતા વધે તેમ ક્ષમતા અને દૂર થયેલા રંગકની ટકાવારી વિરુદ્ધ દિશામાં બદલાય છે. જુદી કાર્બન માત્રાઓ અથવા સાંદ્રતાઓ પર માપેલી દૂર થયેલા રંગકની ટકાવારીના આધારે કાર્બનને ક્રમ આપનાર વ્યક્તિ સામગ્રીને નહીં, પ્રયોગને ક્રમ આપે છે.

તમારે નિયંત્રિત કરવાનાં પરિબળો

નીચેની દરેક બાબત આંકડો બદલે છે. દરેકને સ્થિર રાખો અથવા તેની નોંધ લો.

કાર્બનની માત્રા. વધુ કાર્બન એટલે વધુ અધિશોષણ સ્થાનો, તેથી દૂર થયેલા રંગકની ટકાવારી વધે છે, જ્યારે પ્રતિ ગ્રામ અધિશોષિત માત્રા સામાન્ય રીતે ઘટે છે, કારણ કે પકડાયેલો રંગક વધુ દળ પર વહેંચાય છે. કાર્બનની માત્રા g/L માં જણાવો અને તેની સાથે મૂળ V અને m પણ આપો.

પ્રારંભિક સાંદ્રતા. વધુ C0 વધુ પ્રેરક બળ પૂરું પાડે છે, તેથી qe વધે છે, જ્યારે સ્થાનો સંતૃપ્ત થતાં દૂર થયેલા રંગકની ટકાવારી ઘટે છે. 5 થી 50 mg/L અને 100 થી 400 mg/L પર ફિટ કરેલા સમતાપી વક્રો વક્રના જુદા વિસ્તારોનું વર્ણન કરે છે. ફિટ પરથી મળેલી ક્ષમતાઓની તુલના માત્ર પરસ્પર આવરી લેતી શ્રેણીઓમાં કરો.

pH. આ ધનાયનિક રંગક માટે અધિશોષણ સામાન્ય રીતે pH સાથે વધે છે, ખાસ કરીને કાર્બનના શૂન્ય વિદ્યુતભાર બિંદુથી ઉપર, જ્યાં સપાટીનો ચોખ્ખો ભાર ઋણ બને છે. નીચો pH સપાટીનાં સ્થાનોને પ્રોટોનેટ કરે છે અને હાઇડ્રોજન આયનોને એ સ્થાનો માટે સ્પર્ધા કરવા દે છે. અસરનું પ્રમાણ કાર્બન પર આધારિત છે: સક્રિય કાર્બનના એક અભ્યાસમાં અધિશોષણ pH 2 પર આશરે 51 mg/g થી વધીને pH 8 પર આશરે 92 mg/g થયું હતું. પ્રારંભિક અને સમતુલા pH સાથે દ્રાવણમાં રહેલાં અન્ય ક્ષારોની પણ નોંધ લો, કારણ કે આયનિક પ્રબળતા એ જ બળોની અસર ઘટાડે છે જેને pH નિયંત્રિત કરે છે.

સંપર્ક સમય. અધિશોષણ ઝડપથી વધે છે, પછી સ્થિર થાય છે. માત્ર સ્થિર સ્તરનું મૂલ્ય qe છે; તે પહેલાંનું કોઈ પણ મૂલ્ય qt છે. પ્રકાશિત સમતુલા સમય જુદા કાર્બન માટે થોડી મિનિટોથી અનેક કલાક સુધીના છે, અને કેટલીક પ્રમાણભૂત પદ્ધતિઓમાં 24 કલાકનો સંપર્ક રાખવામાં આવે છે. બે કલાક પૂરતા છે એમ માનવાને બદલે તમારા કાર્બન માટે ગતિશીલતા માપીને સ્થિર સ્તર નક્કી કરો.

તાપમાન. ફેરફારની કોઈ સર્વમાન્ય દિશા નથી. ઉષ્માશોષક તંત્રોમાં તાપમાન સાથે અધિશોષણ વધે છે અને ઉષ્માક્ષેપક તંત્રોમાં ઘટે છે, તેથી ધારણા કરવાને બદલે તેને માપો.

કણકદ અને હલાવવું. વધુ બારીક કણો પ્રસરણનો માર્ગ ટૂંકો કરે છે અને સામાન્ય રીતે અધિશોષણ ઝડપી બનાવે છે; વધુ જોરથી હલાવવાથી કણોની આસપાસનું સ્થિર પ્રવાહી સ્તર પાતળું થાય છે અને એ જ અસર થાય છે. બંને દર બદલે છે, સમતુલાને નહીં. હલાવવાની ઝડપથી ક્ષમતા બદલાતી હોય તો તે સમતુલા ક્યારેય પ્રાપ્ત ન થઈ હોવાની ચેતવણી છે.

અભિકર્મકની ઓળખ પણ નોંધમાં હોવી જોઈએ, તેથી જ રંગકની શુદ્ધતા અને વિનિર્દેશની ચકાસણીઓ કાર્બનના દળની નોંધની સાથે આવે છે: મિથિલીન બ્લૂ આશરે 319.9 g/mol ધરાવતા નિર્જળ ક્ષાર તરીકે અથવા 373.90 g/mol ધરાવતા ટ્રાઇહાઇડ્રેટ તરીકે વેચાઈ શકે છે, અને વ્યાપારી ઉત્પાદનનો એસે ઘણી વાર 100 ટકાથી ઓછો હોય છે. ખોટા સૂત્રભાર પરથી ગણેલું નામમાત્ર C0 દરેક qe માં વ્યવસ્થિત ભૂલ લાવે છે.

ફિટ કરેલા વક્રો શું કહે છે અને શું નથી કહેતા

લેંગમ્યુર ફિટમાં qe ને qmax times KL times Ce divided by (1 plus KL times Ce) તરીકે લખાય છે. તે mg/g માં ફિટ પરથી મળેલી સંતૃપ્તિ ક્ષમતા qmax અને L/mg માં આકર્ષણ અચળાંક KL આપે છે. સારો ફિટ દર્શાવે છે કે આ ચોક્કસ સંતૃપ્તિ વક્ર માપેલી સાંદ્રતાની શ્રેણીનું સારી રીતે વર્ણન કરે છે. તે સાબિત કરતો નથી કે કાર્બન પર એક જ પ્રકારનાં સમાન સ્થાનો છે, આવરણ ચોક્કસપણે એક જ સ્તરનું છે અથવા કોઈ ચોક્કસ અણુસ્તરીય પ્રક્રિયા કાર્યરત છે. અસમાન ગુણધર્મો ધરાવતા છિદ્રાળુ કાર્બન મર્યાદિત શ્રેણીઓમાં નિયમિત રીતે લેંગમ્યુર આકારના વક્રો આપે છે.

ફ્રોઇન્ડલિખ ફિટમાં qe ને KF times Ce to the power 1/n તરીકે લખાય છે. KF અનુભવાધારિત ક્ષમતાનું માપ નક્કી કરે છે અને 1/n વક્રતા નક્કી કરે છે. આ સ્વરૂપમાં કોઈ પરિમિત સ્થિર સ્તર નથી, તેથી તેમાંથી qmax ઊભું કરવા માટે ક્યારેય માપેલી શ્રેણીની બહાર અનુમાન કરવું નહીં. વધુ સારો ફ્રોઇન્ડલિખ ફિટ માત્ર એટલું દર્શાવે છે કે તેનો વધતો આકાર માપેલા અંતરાલ સાથે વધુ સારી રીતે મેળ ખાય છે. જે પણ સમીકરણ વપરાય, મૂળ સ્વરૂપ પર અરેખીય રિગ્રેશનને પ્રાધાન્ય આપો, કારણ કે રેખીયકૃત રૂપાંતરણો ભૂલોને વિકૃત કરે છે, અને માત્ર R squared પર વિશ્વાસ કરવાને બદલે અવશેષો તપાસો.

914 પ્રયોગો શું શીખવે છે

75 સંશોધનપત્રોમાંથી 914 પ્રયોગોના મશીન લર્નિંગ વિશ્લેષણે ગ્રેડિયન્ટ બૂસ્ટેડ રિગ્રેશન ટ્રી વડે માટી, રાખ અને ક્ષારથી સક્રિય કરેલી સામગ્રીમાં મિથિલીન બ્લૂના અધિશોષણનું મોડેલ બનાવ્યું. તેનું મુખ્ય પરિણામ: પ્રારંભિક રંગક સાંદ્રતા નોંધાયેલા અધિશોષણનું સૌથી પ્રબળ આગાહીકાર પરિબળ હતું; pH, કાચી સામગ્રીની ઓળખ અને સુધારાનો પ્રકાર પણ મહત્વના હતા, અને સાંદ્રતા તથા કાર્બનની માત્રા, સપાટી ક્ષેત્રફળ, સંપર્ક સમય અને હલાવવું સહિત લગભગ દરેક અન્ય પરિબળ વચ્ચે મજબૂત આંતરક્રિયાઓ હતી.

બે સાવચેતીઓ આ તારણને ઉપયોગી રાખે છે. પ્રથમ, તે અભ્યાસમાં સક્રિય કાર્બન સામેલ નહોતો, તેથી તે કાર્બન માટે પરિબળોને મહત્વક્રમ આપી શકતો નથી. બીજું, તેનો પાઠ પદ્ધતિસંબંધી છે અને સીધો લાગુ પડે છે: પ્રારંભિક સાંદ્રતા ક્યારેય માત્ર અવરોધરૂપ પરિબળ નથી, અને સંચાલનની પરિસ્થિતિઓ સામગ્રીના ગુણધર્મો સાથે એટલી મજબૂત આંતરક્રિયા કરે છે કે તે પરિસ્થિતિઓની માહિતી કાઢી નાખતાં કોઈ પણ મુખ્ય mg/g ક્રમ અર્થપૂર્ણ રહેતો નથી. ઉદાહરણસહિત ગણતરી પણ મૂળભૂત સિદ્ધાંતો પરથી આ જ નિષ્કર્ષ પર પહોંચે છે.

બે ભૂલો કરવાનું બંધ કરો

પ્રથમ, દૂર થયેલા રંગકની ટકાવારીને ક્ષમતા તરીકે જણાવવાનું બંધ કરો. વધુ કાર્બન ઉમેરવાથી મંદ દ્રાવણનો 99 ટકા રંગ દૂર થઈ શકે છે, છતાં કાર્બન પ્રતિ ગ્રામ માત્ર થોડા મિલિગ્રામ ધારણ કરતો હોય; અને સાંદ્ર દ્રાવણમાં ઓછો કાર્બન પ્રતિ ગ્રામ સેંકડો મિલિગ્રામ ધારણ કરી શકે છે, છતાં દૃશ્યમાન રંગ બાકી રહી શકે છે. હંમેશાં C0, Ce, V, m, g/L માં કાર્બનની માત્રા, દૂર થયેલા રંગકની ટકાવારી અને qe સાથે જણાવો, નહીં તો એ આંકડાનો ફરી ઉપયોગ થઈ શકતો નથી.

બીજું, ગતિશીલતાનું સ્થિર સ્તર દર્શાવ્યા વિના નિશ્ચિત સમયના મૂલ્યને qe કહેવાનું બંધ કરો, અને લેબલ પર દર્શાવેલા વજનથી રંગકનું પ્રમાણ નક્કી કરવાનું બંધ કરો. સમયશ્રેણી વડે સમતુલા ચકાસો, હાઇડ્રેટ અને એસેની સમસ્યાને ધ્યાનમાં રાખીને લેબલ મુજબ તોલેલી માત્રા પર વિશ્વાસ કરવાને બદલે સ્પેક્ટ્રોફોટોમેટ્રિક રીતે સાંદ્રતા ચકાસો, અને pH, તાપમાન, કણકદ તથા હલાવવાનું નિયંત્રિત કરો. આ વિગતો સાથે આપેલી મિથિલીન બ્લૂ ક્ષમતા અન્ય સંદર્ભોમાં ઉપયોગ કરી શકાય એવું માપન છે. તેમના વિના તે માત્ર એક અનુભવકથા છે.