मेथिलीन ब्लू अधिशोषण परीक्षण और सक्रिय कार्बन: परीक्षण करना और परिणाम का अर्थ समझना

एक प्रयोगशाला दो सक्रिय कार्बनों की तुलना करती है। एक डेटाशीट में मेथिलीन ब्लू मान दूसरे से तीन गुना होने का दावा है। प्रयोगशाला अधिक मान वाले कार्बन को खरीदती है, उसी मान के आधार पर उसकी मात्रा तय करती है, लेकिन रंजक अपेक्षा से पहले कार्बन से निकलकर बाहर आने लगता है। कोई जानकारी गलत नहीं दी गई थी। दोनों मान अलग-अलग परीक्षणों से मिले थे, और खरीदार ने उन्हें एक ही राशि का माप समझ लिया।

यह लेख परिणाम पढ़ने की उस गलती को सुधारता है। इसमें बताया गया है कि परीक्षण क्या मापता है, वास्तविक संख्याओं के साथ दो बार गणना की गई है और परिणाम बदलने वाले हर चर का नाम दिया गया है। अलग-अलग अधिशोषकों की आपस में तुलना करके उनका क्रम तय करने की संबंधित समस्या पर अलग से चर्चा की गई है; यहाँ विषय एक पदार्थ वर्ग और एक विधि है।

परीक्षण के लिए यह रंजक क्यों चुना जाता है

मेथिलीन ब्लू एक धनायनिक, समतलीय ऐरोमैटिक रंजक है। पानी में यह धनावेशित आयन के रूप में मौजूद रहता है, और इसके अणु के आयाम लगभग 1.43 गुणा 0.61 गुणा 0.40 nm हैं। इसका आकार ही इसे उपयोगी बनाता है। दूसरा पारंपरिक परीक्षण पदार्थ, आयोडीन, बहुत छोटा है और संकीर्ण सूक्ष्मरंध्रों में प्रवेश कर जाता है, इसलिए आयोडीन संख्या सूक्ष्मरंध्रों के विकास का संकेत देती है। मेथिलीन ब्लू को प्रवेश के लिए अधिक चौड़े रास्ते चाहिए: यह लगभग 0.75 nm से बड़े रंध्रों तक पहुँचता है, और लगभग 1.4 से 3 nm के रंध्रों का इसमें महत्वपूर्ण योगदान होता है। इन आयामों में बड़े सूक्ष्मरंध्र और छोटे मध्यरंध्र दोनों शामिल हैं, इसलिए इस परीक्षण को केवल मध्यरंध्रों का माप कहना अतिसरलीकरण है। दोनों परीक्षण पदार्थ एक-दूसरे के पूरक हैं। आयोडीन बताता है कि महीन रंध्रता कितनी है। मेथिलीन ब्लू बताता है कि कितने रंध्र स्थान में एक बड़ा कार्बनिक अणु प्रवेश कर सकता है, जो रंजक हटाने के लिए प्रासंगिक प्रश्न है। इनमें से कोई भी मान अपने आप में अन्य अणुओं के अधिशोषण का पूर्वानुमान नहीं देता।

आवेश उतना ही महत्वपूर्ण है जितना आकार। रंजक धनायनिक है, इसलिए यह ऋणावेशित सतहों की ओर आकर्षित होता है और धनावेशित सतहों से प्रतिकर्षित होता है। इस कारण pH कोई गौण विवरण नहीं, बल्कि एक प्रमुख चर है, जैसा कि नीचे दिए गए प्रयोग दिखाते हैं।

बैच परीक्षण कैसे किया जाता है

प्रयोगशाला में इसका मानक रूप बैच साम्यावस्था परीक्षण है। कार्बन को परीक्षण के लिए तैयार करें, छानकर उसे नियंत्रित कण आकार वाले अंश में अलग करें और उसका ज्ञात द्रव्यमान m तौलें। प्रारंभिक सांद्रता C0 वाले रंजक विलयन का ज्ञात आयतन V मिलाएँ। pH और तापमान स्थिर रखें, सत्यापित अवधि तक हिलाएँ, फिर निस्यंदन या अपकेंद्रीकरण से कार्बन अलग करें। बचे हुए रंजक की सांद्रता Ce को UV-Vis अवशोषण से निर्धारित करें, सामान्यतः 660 से 665 nm के पास और अक्सर 664 nm पर, उसी उपकरण पर तैयार की गई अंशांकन शृंखला के आधार पर। एक प्रकाशित प्रक्रिया में 10 से 1000 mg/L की सांद्रता सीमा में 50 mL विलयन के साथ 0.050 g कार्बन का उपयोग किया गया, 25 C पर 24 घंटे तक संपर्क रखा गया और मापन 660 nm पर किया गया। कोई एक सार्वभौमिक परीक्षण प्रक्रिया नहीं है, इसलिए कार्बन की मात्रा, सांद्रता सीमा, समय, तापमान, pH और तरंगदैर्ध्य के बिना बताया गया मान परिणाम नहीं है। वह अफवाह है।

मात्रात्मक निर्धारण में भी वही अनुशासन चाहिए जो अवशोषण आधारित रंजक मापन में बताया गया है: अपने उपकरण पर अंशांकन करें, 664 nm मान लेने के बजाय अवशोषण शिखर की पुष्टि करें और अधिक सांद्र ऊपर के द्रव को तनु करके रैखिक सीमा में वापस लाएँ।

उदाहरण सहित गणना

क्षमता द्रव्यमान संतुलन से निकाली जाती है। विलयन से गायब हुआ रंजक कार्बन पर मौजूद है:

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

यहाँ qe साम्यावस्था में अधिशोषित मात्रा है, जिसकी इकाई mg/g है; C0 और Ce क्रमशः प्रारंभिक और साम्यावस्था सांद्रताएँ हैं, जिनकी इकाई mg/L है; V लीटर में आयतन है; और m ग्राम में कार्बन का द्रव्यमान है।

पहला बिंदु। C0 = 100 mg/L, V = 0.100 L, m = 0.0200 g से शुरू करें। साम्यावस्था के बाद उपकरण Ce = 35 mg/L बताता है। तब qe = (100 minus 35) times 0.100 divided by 0.0200 = 65 times 0.100 divided by 0.0200 = 325 mg/g। हटाने का प्रतिशत (100 minus 35) divided by 100 times 100 = 65 प्रतिशत है।

दूसरा बिंदु, कार्बन की मात्रा और विलयन का आयतन समान हैं, लेकिन रंजक का भार अधिक है। C0 = 200 mg/L से शुरू करें और Ce = 90 mg/L मापें। तब qe = (200 minus 90) times 0.100 divided by 0.0200 = 550 mg/g, जबकि हटाने का प्रतिशत (200 minus 90) divided by 200 times 100 = 55 प्रतिशत है।

ये दोनों युग्म, (Ce = 35, qe = 325) और (Ce = 90, qe = 550), एक समतापी वक्र के दो बिंदु हैं। विपरीत दिशाओं में हुए बदलाव पर ध्यान दें: क्षमता 325 से बढ़कर 550 mg/g हो गई, जबकि हटाने का प्रतिशत 65 से घटकर 55 प्रतिशत हो गया। सांद्रता बढ़ने पर क्षमता और हटाने का प्रतिशत विपरीत दिशाओं में बदलते हैं। जो व्यक्ति अलग-अलग कार्बन मात्राओं या सांद्रताओं पर मापे गए हटाने के प्रतिशत के आधार पर कार्बनों का क्रम तय करता है, वह पदार्थों का नहीं, प्रयोगों का क्रम तय कर रहा है।

वे चर जिन्हें आपको नियंत्रित करना चाहिए

नीचे दी गई हर प्रविष्टि मान को बदलती है। प्रत्येक को स्थिर रखें या दर्ज करें।

कार्बन की मात्रा। अधिक कार्बन का अर्थ अधिक अधिशोषण स्थल है, इसलिए हटाने का प्रतिशत बढ़ता है, जबकि प्रति ग्राम अधिशोषित मात्रा सामान्यतः घटती है, क्योंकि पकड़ा गया रंजक अधिक द्रव्यमान में बँट जाता है। कार्बन की मात्रा g/L में बताएँ और उसके आधारभूत V तथा m भी दें।

प्रारंभिक सांद्रता। अधिक C0 बड़ा प्रेरक बल देता है, इसलिए qe बढ़ता है, जबकि स्थलों के संतृप्त होने पर हटाने का प्रतिशत घटता है। 5 से 50 mg/L और 100 से 400 mg/L की सीमाओं पर फिट किए गए समतापी वक्र, वक्र के अलग-अलग हिस्सों का वर्णन करते हैं। फिट की गई क्षमताओं की तुलना केवल उन सांद्रता सीमाओं में करें जो एक-दूसरे से ओवरलैप करती हैं।

pH। इस धनायनिक रंजक का अधिशोषण सामान्यतः pH बढ़ने के साथ बढ़ता है, खासकर कार्बन के शून्य आवेश बिंदु से ऊपर, जहाँ सतह का कुल आवेश ऋणात्मक हो जाता है। कम pH सतही स्थलों का प्रोटोनीकरण करता है और हाइड्रोजन आयनों को उन स्थलों के लिए प्रतिस्पर्धा करने देता है। प्रभाव की मात्रा कार्बन पर निर्भर करती है: सक्रिय कार्बन के एक अध्ययन में अधिशोषण pH 2 पर लगभग 51 mg/g से बढ़कर pH 8 पर लगभग 92 mg/g हो गया। प्रारंभिक और साम्यावस्था pH के साथ माध्यम में मौजूद लवण भी दर्ज करें, क्योंकि आयनिक प्रबलता उन्हीं बलों के प्रभाव को कम करती है जिन्हें pH बदलता है।

संपर्क समय। अधिशोषित मात्रा पहले तेजी से बढ़ती है, फिर स्थिर हो जाती है। केवल स्थिर स्तर का मान qe है; उससे पहले का कोई भी मान qt है। अलग-अलग कार्बनों के लिए प्रकाशित साम्यावस्था समय कुछ मिनटों से लेकर कई घंटों तक है, और कुछ मानक प्रक्रियाओं में 24 घंटे का संपर्क रखा जाता है। दो घंटे पर्याप्त मानने के बजाय, अपने कार्बन के लिए समय के साथ अधिशोषण मापकर स्थिर स्तर निर्धारित करें।

तापमान। बदलाव की कोई सार्वभौमिक दिशा नहीं है। ऊष्माशोषी तंत्रों में तापमान के साथ अधिशोषण बढ़ता है और ऊष्माक्षेपी तंत्रों में घटता है, इसलिए अनुमान लगाने के बजाय इसे मापें।

कण आकार और हिलाना। छोटे कण विसरण की दूरी कम करते हैं और सामान्यतः अधिशोषण तेज करते हैं; अधिक तीव्रता से हिलाने पर कणों के आसपास की स्थिर द्रव परत पतली होती है और वही प्रभाव पड़ता है। दोनों गति को बदलते हैं, स्वयं साम्यावस्था को नहीं। यदि हिलाने की गति बदलने से क्षमता बदलती है, तो यह चेतावनी है कि साम्यावस्था प्राप्त ही नहीं हुई थी।

अभिकर्मक की पहचान भी रिकॉर्ड में होनी चाहिए, इसलिए कार्बन के द्रव्यमान के साथ रंजक की शुद्धता और विनिर्देश की जाँच भी दर्ज की जाती है: मेथिलीन ब्लू लगभग 319.9 g/mol वाले निर्जल लवण या 373.90 g/mol वाले ट्राइहाइड्रेट के रूप में बेचा जा सकता है, और व्यावसायिक उत्पाद में निर्धारित शुद्धता अक्सर 100 प्रतिशत से कम होती है। गलत सूत्र द्रव्यमान से गणना किया गया नाममात्र C0 हर qe में व्यवस्थित त्रुटि पैदा करता है।

फिट किए गए वक्र क्या बताते हैं और क्या नहीं

लैंगम्यूर फिट में qe को qmax times KL times Ce divided by (1 plus KL times Ce) के रूप में लिखा जाता है। इससे mg/g में फिट की गई संतृप्ति क्षमता qmax और L/mg में बंधुता स्थिरांक KL मिलता है। अच्छा फिट बताता है कि यह विशिष्ट संतृप्ति वक्र मापी गई सांद्रता सीमा का अच्छा वर्णन करता है। इससे यह सिद्ध नहीं होता कि कार्बन पर सभी स्थल एकसमान हैं, कि सतह पर केवल एक ही आणविक परत बनती है या कि कोई विशिष्ट आणविक क्रियाविधि काम कर रही है। विषम रंध्रयुक्त कार्बन अक्सर सीमित सांद्रता सीमाओं में लैंगम्यूर जैसे वक्र देते हैं।

फ्रॉयंडलिख फिट में qe को KF times Ce to the power 1/n के रूप में लिखा जाता है। KF अनुभवजन्य क्षमता का पैमाना तय करता है और 1/n वक्रता तय करता है। इस रूप में कोई सीमित स्थिर स्तर नहीं है, इसलिए मापी गई सीमा से आगे इसका विस्तार करके qmax कभी नहीं गढ़ना चाहिए। बेहतर फ्रॉयंडलिख फिट का अर्थ केवल यह है कि इसका बढ़ता हुआ आकार मापे गए अंतराल से अधिक अच्छी तरह मेल खाता है। कोई भी समीकरण इस्तेमाल करें, मूल रूप पर अरैखिक प्रतिगमन को प्राथमिकता दें, क्योंकि रैखिक बनाए गए रूपांतरण त्रुटियों को विकृत करते हैं। केवल R squared पर भरोसा करने के बजाय अवशेषों की जाँच करें।

914 प्रयोगों से क्या सीख मिलती है

75 शोधपत्रों के 914 प्रयोगों के मशीन लर्निंग विश्लेषण में ग्रेडिएंट बूस्टेड रिग्रेशन ट्री का उपयोग करके मिट्टियों, राखों और क्षार से सक्रिय किए गए पदार्थों में मेथिलीन ब्लू अधिशोषण का मॉडल बनाया गया। इसका मुख्य परिणाम था: प्रारंभिक रंजक सांद्रता, रिपोर्ट की गई अधिशोषित मात्रा का सबसे प्रमुख पूर्वानुमानक थी। pH, मूल पदार्थ की पहचान और संशोधन का प्रकार भी महत्वपूर्ण थे। साथ ही, सांद्रता और लगभग हर दूसरे चर के बीच मजबूत अंतःक्रियाएँ थीं, जिनमें प्रयुक्त मात्रा, सतह क्षेत्रफल, संपर्क समय और हिलाना शामिल थे।

दो सावधानियाँ इस निष्कर्ष को उपयोगी बनाए रखती हैं। पहली, उस अध्ययन में सक्रिय कार्बन शामिल नहीं था, इसलिए उससे कार्बन पर चरों की महत्ता का क्रम तय नहीं किया जा सकता। दूसरी, इसकी सीख कार्यपद्धति से संबंधित है और यहाँ भी सीधे लागू होती है: प्रारंभिक सांद्रता कभी ऐसा गौण चर नहीं है जिसे अनदेखा किया जा सके, और परिचालन स्थितियाँ पदार्थ के गुणों के साथ इतनी मजबूत अंतःक्रिया करती हैं कि उनकी जानकारी हटा देने पर केवल mg/g के प्रमुख आँकड़ों पर आधारित कोई भी क्रम मान्य नहीं रह सकता। उदाहरण सहित गणना भी मूल सिद्धांतों से इसी निष्कर्ष तक पहुँचती है।

दो गलतियाँ जिन्हें बंद करना चाहिए

पहली, हटाने के प्रतिशत को क्षमता के रूप में बताना बंद करें। कार्बन की अधिक मात्रा किसी कम सांद्र विलयन से 99 प्रतिशत रंग हटा सकती है, जबकि प्रति ग्राम केवल कुछ मिलीग्राम रंजक धारण करती है। वहीं अधिक सांद्र विलयन में कार्बन की कम मात्रा प्रति ग्राम सैकड़ों मिलीग्राम रंजक धारण कर सकती है, फिर भी रंग दिखाई दे सकता है। हमेशा C0, Ce, V, m, g/L में कार्बन की मात्रा, हटाने का प्रतिशत और qe एक साथ बताएँ, अन्यथा उस मान का दोबारा उपयोग नहीं किया जा सकता।

दूसरी, समय के साथ मापन में स्थिर स्तर दिखाए बिना किसी निश्चित समय के मान को qe कहना बंद करें, और लेबल के आधार पर तौले गए द्रव्यमान से रंजक का मानकीकरण करना बंद करें। अलग-अलग समय पर मापन करके साम्यावस्था सत्यापित करें। हाइड्रेट रूप और निर्धारित शुद्धता की समस्या को देखते हुए, लेबल के आधार पर तौली गई मात्रा पर भरोसा करने के बजाय स्पेक्ट्रोफोटोमेट्री से सांद्रता सत्यापित करें। pH, तापमान, कण आकार और हिलाने को नियंत्रित करें। इन विवरणों के साथ दी गई मेथिलीन ब्लू क्षमता ऐसा मापन है जिसे अन्य संदर्भों में उपयोग किया जा सकता है। इनके बिना यह केवल एक अनुभव का वर्णन है।