Մեթիլենային կապույտի ադսորբցիայի փորձերը և ակտիվացված ածուխը․ փորձի անցկացումն ու ցուցանիշի մեկնաբանումը

Լաբորատորիան համեմատում է երկու ակտիվացված ածուխ։ Մեկի տեխնիկական նկարագրում մեթիլենային կապույտի ցուցանիշը մյուսից երեք անգամ բարձր է։ Լաբորատորիան գնում է ավելի բարձր ցուցանիշ ունեցող ածուխը, դրա հիման վրա որոշում օգտագործվող քանակը, սակայն ներկանյութը սպասվածից շուտ է սկսում անցնել ածխի միջով։ Ոչինչ կեղծված չէր։ Երկու ցուցանիշները ստացվել էին տարբեր փորձերով, իսկ գնորդը դրանք ընկալել էր որպես նույն մեծությունը։

Այս հոդվածն ուղղում է մեկնաբանման այդ սխալը։ Այն բացատրում է, թե ինչ է չափում փորձը, երկու անգամ ներկայացնում է հաշվարկը իրական թվերով և նշում արդյունքի վրա ազդող բոլոր փոփոխականները։ Տարբեր ադսորբենտները միմյանց համեմատ դասակարգելու հարակից խնդիրը քննարկվում է առանձին․ այստեղ խոսքը նյութերի մեկ դասի և մեկ մեթոդի մասին է։

Ինչու է հենց այս ներկանյութն օգտագործվում որպես զոնդ

Մեթիլենային կապույտը կատիոնային, հարթ արոմատիկ ներկանյութ է։ Ջրում այն առկա է որպես դրական լիցքավորված իոն, իսկ մոլեկուլի տարածական չափերը մոտավորապես 1.43 × 0.61 × 0.40 nm են։ Հենց չափն է այստեղ էական։ Մյուս դասական զոնդը՝ յոդը, շատ ավելի փոքր է և թափանցում է նեղ միկրոծակոտիների մեջ, ուստի յոդային թիվը բնութագրում է միկրոծակոտիների զարգացածությունը։ Մեթիլենային կապույտին ավելի լայն մուտքեր են պետք․ այն կարող է ներթափանցել մոտ 0.75 nm-ից մեծ ծակոտիներ, և զգալի ներդրում ունեն մոտ 1.4-ից 3 nm չափերի ծակոտիները։ Այդ չափերն ընդգրկում են խոշոր միկրոծակոտիներն ու փոքր մեզոծակոտիները, ուստի այս փորձը զուտ մեզոծակոտիների զոնդ անվանելը չափազանց պարզեցում է։ Երկու զոնդերը լրացնում են միմյանց։ Յոդը ցույց է տալիս, թե որքան մանր ծակոտկենություն կա։ Մեթիլենային կապույտը ցույց է տալիս, թե որքան ծակոտկեն տարածք է հասանելի խոշոր օրգանական մոլեկուլին, իսկ ներկանյութի հեռացման համար հենց այս հարցն է կարևոր։ Այս ցուցանիշներից ոչ մեկն ինքնուրույն չի կանխատեսում այլ մոլեկուլների կլանումը։

Լիցքը նույնքան կարևոր է, որքան չափը։ Քանի որ ներկանյութը կատիոնային է, այն ձգվում է բացասական լիցքավորված մակերևույթներին և վանվում դրական լիցքավորվածներից։ Ուստի pH-ը հիմնական փոփոխական է, ոչ թե երկրորդական մանրուք, ինչպես ցույց են տալիս ստորև ներկայացված փորձերը։

Ինչպես է անցկացվում պարբերական փորձը

Ստանդարտ լաբորատոր տարբերակում հավասարակշռությունը հաստատվում է առանձին խմբաքանակում։ Նախապատրաստեք ածուխը, մաղելով առանձնացրեք վերահսկվող մասնիկաչափային ֆրակցիան և կշռեք հայտնի m զանգվածը։ Ավելացրեք ներկանյութի լուծույթի հայտնի V ծավալը՝ C0 սկզբնական կոնցենտրացիայով։ Պահեք pH-ը և ջերմաստիճանը հաստատուն, խառնեք նախապես ստուգված տևողությամբ, ապա ածուխն առանձնացրեք զտմամբ կամ ցենտրիֆուգմամբ։ Որոշեք մնացորդային Ce կոնցենտրացիան UV-Vis լույսի կլանմամբ՝ սովորաբար 660-ից 665 nm տիրույթում և հաճախ 664 nm-ի դեպքում, օգտագործելով նույն սարքով պատրաստված տրամաչափարկման շարքը։ Հրապարակված ընթացակարգերից մեկում օգտագործվել է 0.050 g ածուխ՝ 50 mL լուծույթի հետ, 10-ից 1000 mg/L կոնցենտրացիաների տիրույթում, 24 ժամ՝ 25 C պայմաններում, իսկ չափումը կատարվել է 660 nm-ում։ Միասնական համընդհանուր ընթացակարգ չկա, ուստի առանց ածխի չափաբաժնի, կոնցենտրացիաների տիրույթի, ժամանակի, ջերմաստիճանի, pH-ի և ալիքի երկարության հաղորդված ցուցանիշն արդյունք չէ։ Այն ասեկոսե է։

Քանակական որոշումն ինքնին պահանջում է նույն կարգապահությունը, որը նկարագրված է լույսի կլանման հիման վրա ներկանյութի չափման համար․ տրամաչափարկեք ձեր սարքով, հաստատեք կլանման գագաթը՝ պարզապես 664 nm ենթադրելու փոխարեն, և բարձր կոնցենտրացիայով վերնստվածքային լուծույթները նոսրացրեք մինչև գծային տիրույթ։

Հաշվարկի օրինակները

Տարողությունը որոշվում է զանգվածային հաշվեկշռից։ Լուծույթից անհետացած ներկանյութը գտնվում է ածխի վրա․

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

որտեղ qe-ն հավասարակշռային կլանված քանակն է՝ mg/g-ով, C0-ն և Ce-ն սկզբնական ու հավասարակշռային կոնցենտրացիաներն են՝ mg/L-ով, V-ն ծավալն է լիտրերով, իսկ m-ը՝ ածխի զանգվածը գրամներով։

Առաջին կետը։ Սկզբնական պայմաններն են՝ C0 = 100 mg/L, V = 0.100 L, m = 0.0200 g։ Հավասարակշռության հաստատումից հետո սարքը ցույց է տալիս Ce = 35 mg/L։ Ուրեմն՝ qe = (100 minus 35) times 0.100 divided by 0.0200 = 65 times 0.100 divided by 0.0200 = 325 mg/g։ Հեռացման տոկոսը՝ (100 minus 35) divided by 100 times 100 = 65 տոկոս։

Երկրորդ կետը՝ նույն չափաբաժնով և ծավալով, բայց ավելի մեծ բեռնվածությամբ։ Սկզբնական կոնցենտրացիան C0 = 200 mg/L է, իսկ չափվածը՝ Ce = 90 mg/L։ Ուրեմն՝ qe = (200 minus 90) times 0.100 divided by 0.0200 = 550 mg/g, մինչդեռ հեռացումը՝ (200 minus 90) divided by 200 times 100 = 55 տոկոս։

Այս երկու զույգերը՝ (Ce = 35, qe = 325) և (Ce = 90, qe = 550), իզոթերմի երկու կետերն են։ Ուշադրություն դարձրեք հակադիր վարքին․ տարողությունն աճեց 325-ից 550 mg/g, մինչդեռ հեռացումը նվազեց 65-ից 55 տոկոս։ Կոնցենտրացիայի բարձրացման հետ տարողությունն ու հեռացման տոկոսը փոխվում են հակառակ ուղղություններով։ Ով ածուխները դասակարգում է տարբեր չափաբաժինների կամ կոնցենտրացիաների դեպքում չափված հեռացման տոկոսով, դասակարգում է փորձը, ոչ թե նյութը։

Փոփոխականները, որոնք պետք է վերահսկել

Ստորև նշված յուրաքանչյուր գործոն փոխում է ցուցանիշը։ Յուրաքանչյուրը պահեք հաստատուն կամ գրանցեք։

Չափաբաժին։ Ավելի շատ ածուխը նշանակում է ավելի շատ ադսորբցիոն կենտրոններ, ուստի հեռացման տոկոսն աճում է, մինչդեռ մեկ գրամի հաշվով կլանված քանակը սովորաբար նվազում է, քանի որ կլանված ներկանյութը բաշխվում է ավելի մեծ զանգվածի վրա։ Չափաբաժինը ներկայացրեք g/L-ով՝ նշելով նաև դրա հիմքում ընկած V-ն և m-ը։

Սկզբնական կոնցենտրացիա։ Ավելի բարձր C0-ն մեծացնում է շարժիչ ուժը, ուստի qe-ն աճում է, մինչդեռ կենտրոնների հագեցման հետ հեռացման տոկոսը նվազում է։ 5-ից 50 mg/L և 100-ից 400 mg/L տիրույթներում հարմարեցված իզոթերմերը նկարագրում են կորի տարբեր հատվածներ։ Հարմարեցմամբ ստացված տարողությունները համեմատեք միայն համընկնող տիրույթներում։

pH։ Այս կատիոնային ներկանյութի կլանումը սովորաբար աճում է pH-ի բարձրացման հետ, հատկապես ածխի զրոյական լիցքի կետից բարձր, որտեղ մակերևույթի ընդհանուր լիցքը դառնում է բացասական։ Ցածր pH-ի դեպքում մակերևութային կենտրոնները պրոտոնացվում են, և ջրածնի իոնները մրցակցում են դրանց համար։ Ազդեցության չափը կախված է կոնկրետ ածխից․ ակտիվացված ածխի մի ուսումնասիրությունում կլանված քանակն աճել է մոտ 51 mg/g-ից՝ pH 2-ի դեպքում, մինչև մոտ 92 mg/g՝ pH 8-ի դեպքում։ Գրանցեք սկզբնական և հավասարակշռային pH-ը, ինչպես նաև միջավայրի աղերը, քանի որ իոնային ուժը էկրանավորում է նույն ուժերը, որոնք փոխվում են pH-ի ազդեցությամբ։

Շփման տևողություն։ Կլանված քանակը սկզբում կտրուկ աճում է, ապա կայունանում։ Միայն կայուն հատվածի արժեքն է qe․ ավելի վաղ ցանկացած արժեք qt է։ Տարբեր ածուխների համար հրապարակված հավասարակշռման ժամանակները տատանվում են րոպեներից մինչև բազմաթիվ ժամեր, իսկ որոշ ստանդարտ ընթացակարգերում շփման տևողությունը 24 ժամ է։ Ձեր ածխի համար կայուն հատվածը որոշեք կինետիկ չափումներով՝ երկու ժամը բավարար համարելու փոխարեն։

Ջերմաստիճան։ Փոփոխության համընդհանուր ուղղություն չկա։ Էնդոթերմ համակարգերում կլանումն աճում է ջերմաստիճանի բարձրացման հետ, իսկ էկզոթերմ համակարգերում՝ նվազում, ուստի չափեք այն՝ ենթադրություններ անելու փոխարեն։

Մասնիկների չափ և խառնում։ Ավելի մանր մասնիկները կրճատում են դիֆուզիայի ուղիները և սովորաբար արագացնում կլանումը․ ավելի ինտենսիվ խառնումը բարակեցնում է մասնիկները շրջապատող անշարժ հեղուկային շերտը և նույն ազդեցությունն ունի։ Երկուսն էլ փոխում են արագությունը, ոչ թե հենց հավասարակշռությունը։ Խառնման արագությունից կախված տարողությունը նախազգուշացում է, որ հավասարակշռությունն այդպես էլ չի հաստատվել։

Գրանցման մեջ պետք է ներառել նաև ռեագենտի նույնականացումը, այդ պատճառով ներկանյութի մաքրության և տեխնիկական բնութագրերի ստուգումները նշվում են ածխի զանգվածի կողքին․ մեթիլենային կապույտը կարող է վաճառվել որպես անջուր աղ՝ մոտ 319.9 g/mol մոլային զանգվածով, կամ որպես տրիհիդրատ՝ 373.90 g/mol մոլային զանգվածով, իսկ առևտրային արտադրանքի քանակական պարունակությունը հաճախ 100 տոկոսից ցածր է։ Սխալ բանաձևային զանգվածով հաշվարկված անվանական C0-ն բոլոր qe արժեքները դարձնում է համակարգված սխալ։

Ինչ են ասում և ինչ չեն ասում հարմարեցված կորերը

Լենգմյուրի մոդելի հարմարեցման դեպքում qe-ն արտահայտվում է որպես qmax times KL times Ce divided by (1 plus KL times Ce)։ Այն տալիս է հարմարեցմամբ ստացված հագեցման qmax տարողությունը՝ mg/g-ով, և խնամակցության KL հաստատունը՝ L/mg-ով։ Լավ հարմարեցումը նշանակում է, որ հագեցման այս կոնկրետ կորը լավ է նկարագրում չափված կոնցենտրացիաների տիրույթը։ Այն չի ապացուցում, որ ածուխն ունի կենտրոնների մեկ համասեռ խումբ, որ ծածկույթը խիստ միաշերտ է, կամ որ գործում է որևէ որոշակի մոլեկուլային մեխանիզմ։ Տարասեռ ծակոտկեն ածուխները սահմանափակ տիրույթներում հաճախ տալիս են Լենգմյուրի ձևի կորեր։

Ֆրոյնդլիխի մոդելի հարմարեցման դեպքում qe-ն արտահայտվում է որպես KF times Ce to the power 1/n։ KF-ը սահմանում է տարողության էմպիրիկ սանդղակը, իսկ 1/n-ը՝ կորությունը։ Քանի որ այս ձևը չունի վերջավոր հագեցման հարթ հատված, այն երբեք չպետք է արտարկվի՝ qmax հորինելու համար։ Ֆրոյնդլիխի ավելի լավ հարմարեցումը միայն նշանակում է, որ դրա աճող ձևն ավելի լավ է համապատասխանում չափված միջակայքին։ Անկախ ընտրված հավասարումից՝ նախընտրեք սկզբնական ձևի ոչ գծային ռեգրեսիան, քանի որ գծայնացված փոխակերպումները աղավաղում են սխալները, և ուսումնասիրեք մնացորդները՝ միայն R-ի քառակուսուն վստահելու փոխարեն։

Ինչ են սովորեցնում 914 փորձերը

75 հոդվածներում ներկայացված 914 փորձերի մեքենայական ուսուցման վերլուծությունը մոդելավորել է մեթիլենային կապույտի կլանումը կավերի, մոխիրների և ալկալիով ակտիվացված նյութերի համար՝ օգտագործելով գրադիենտային բուստինգով ռեգրեսիոն ծառեր։ Գլխավոր արդյունքը հետևյալն էր․ ներկանյութի սկզբնական կոնցենտրացիան հաղորդված կլանման գերակշռող կանխատեսիչն էր, իսկ pH-ը, ելանյութի ինքնությունը և փոփոխման տեսակը նույնպես կարևոր էին։ Բացի այդ, կոնցենտրացիան ուժեղ փոխազդեցություններ ուներ գրեթե բոլոր մյուս փոփոխականների հետ՝ ներառյալ չափաբաժինը, մակերևույթի մակերեսը, շփման տևողությունը և խառնումը։

Երկու վերապահում այս եզրակացությունը պահում են օգտակար շրջանակում։ Նախ՝ այդ ուսումնասիրությունը չէր ընդգրկում ակտիվացված ածուխը, ուստի չի կարող դասակարգել ածխի վրա ազդող փոփոխականները։ Երկրորդ՝ դրա դասը մեթոդաբանական է և լիովին կիրառելի այլ դեպքերում․ սկզբնական կոնցենտրացիան երբեք աննշան խանգարող փոփոխական չէ, իսկ փորձի պայմանները չափազանց ուժեղ են փոխազդում նյութի հատկությունների հետ, որպեսզի mg/g-ով որևէ ընդհանրացված դասակարգում իմաստալից մնա առանց իր պայմանների։ Նույն եզրակացությանը հիմնարար սկզբունքներից հասնում են նաև վերը ներկայացված հաշվարկները։

Երկու սխալ, որոնք պետք է դադարել անել

Նախ՝ դադարեք հեռացման տոկոսը ներկայացնել որպես տարողություն։ Մեծ չափաբաժինը կարող է նոսր լուծույթից հեռացնել գույնի 99 տոկոսը՝ մեկ գրամի հաշվով պահելով ընդամենը մի քանի միլիգրամ, իսկ փոքր չափաբաժինը խիտ լուծույթում կարող է մեկ գրամի հաշվով պահել հարյուրավոր միլիգրամներ՝ տեսանելի գույն թողնելով լուծույթում։ Միշտ միասին ներկայացրեք C0-ն, Ce-ն, V-ն, m-ը, չափաբաժինը՝ g/L-ով, հեռացման տոկոսը և qe-ն, այլապես ցուցանիշը հնարավոր չէ վերօգտագործել։

Երկրորդ՝ դադարեք ֆիքսված պահին ստացված արժեքը qe անվանել՝ առանց կինետիկ կորի կայուն հատվածը ցույց տալու, և դադարեք ներկանյութի կոնցենտրացիան ստանդարտացնել պիտակի տվյալներով հաշվարկված զանգվածով։ Հավասարակշռությունը հաստատեք ժամանակային չափումների շարքով, կոնցենտրացիան ստուգեք սպեկտրալուսաչափական եղանակով՝ հիդրատացման և քանակական պարունակության խնդրի պայմաններում պիտակի հիման վրա կշռված զանգվածին վստահելու փոխարեն, և վերահսկեք pH-ը, ջերմաստիճանը, մասնիկների չափն ու խառնումը։ Այդ տվյալներով ուղեկցվող մեթիլենային կապույտի տարողությունը այլ պայմաններում կիրառելի չափում է։ Առանց դրանց այն ընդամենը առանձին դեպքի պատմություն է։