Uji Adsorpsi Metilen Biru: Kapasitas pada Karbon Aktif

Sebuah laboratorium membandingkan dua karbon aktif. Satu lembar data mengklaim nilai metilen biru tiga kali lebih tinggi daripada yang lain. Laboratorium membeli karbon dengan angka yang lebih besar, menentukan dosis berdasarkan angka tersebut, lalu zat warna menembus lebih awal. Tidak ada yang dipalsukan. Kedua angka berasal dari pengujian yang berbeda, dan pembeli membacanya seolah-olah merupakan besaran yang sama.

Artikel ini memperbaiki kesalahan pembacaan tersebut. Artikel ini menjelaskan apa yang diukur oleh pengujian, menjalankan perhitungan dua kali dengan angka nyata, dan menyebutkan setiap variabel yang memengaruhi hasil. Persoalan terkait tentang pemeringkatan adsorben yang berbeda satu sama lain dibahas secara terpisah; di sini subjeknya adalah satu kelas material dan satu metode.

Mengapa zat warna ini digunakan sebagai probe

Metilen biru adalah zat warna aromatik planar yang bersifat kationik. Di dalam air, zat ini berada sebagai ion bermuatan positif, dan jejak molekulnya kira-kira 1.43 kali 0.61 kali 0.40 nm. Ukuran inilah yang penting. Iodin, probe klasik lainnya, jauh lebih kecil dan dapat masuk ke mikropori sempit, sehingga angka iodin melacak perkembangan mikropori. Metilen biru memerlukan bukaan yang lebih lebar: zat ini mengakses pori di atas kira-kira 0.75 nm, dengan kontribusi penting dari pori sekitar 1.4 hingga 3 nm. Dimensi tersebut mencakup mikropori yang lebih besar dan mesopori kecil, sehingga menyebut pengujian ini sebagai probe mesopori murni merupakan penyederhanaan berlebihan. Kedua probe saling melengkapi. Iodin menanyakan seberapa banyak porositas halus yang tersedia. Metilen biru menanyakan seberapa banyak ruang pori yang dapat dimasuki molekul organik besar, yang merupakan pertanyaan penting untuk penghilangan zat warna. Tidak satu pun dari kedua angka tersebut dapat dengan sendirinya memprediksi serapan molekul lain.

Muatan sama pentingnya dengan ukuran. Karena zat warna ini bersifat kationik, zat ini tertarik pada permukaan bermuatan negatif dan ditolak oleh permukaan bermuatan positif. Hal ini menjadikan pH sebagai variabel utama, bukan sekadar catatan tambahan, seperti ditunjukkan oleh eksperimen di bawah ini.

Cara menjalankan uji batch

Bentuk laboratorium standar adalah kesetimbangan batch. Kondisikan karbon, ayak hingga memperoleh fraksi ukuran partikel yang terkendali, lalu timbang massa m yang diketahui. Tambahkan volume V larutan zat warna yang diketahui pada konsentrasi awal C0. Pertahankan pH dan suhu tetap, lakukan agitasi selama waktu yang telah diverifikasi, lalu pisahkan karbon dengan filtrasi atau sentrifugasi. Tentukan konsentrasi yang tersisa Ce melalui absorbansi UV-Vis, biasanya di sekitar 660 hingga 665 nm dan sering kali pada 664 nm, menggunakan seri kalibrasi yang disiapkan pada instrumen yang sama. Salah satu prosedur yang dipublikasikan menggunakan 0.050 g karbon dengan 50 mL larutan pada rentang 10 hingga 1000 mg/L, selama 24 jam pada 25 C, dengan pembacaan pada 660 nm. Tidak ada satu protokol universal, sehingga nilai yang dilaporkan tanpa dosis, rentang konsentrasi, waktu, suhu, pH, dan panjang gelombang bukanlah suatu hasil. Itu hanya kabar tanpa konteks.

Kuantifikasi itu sendiri memerlukan disiplin yang sama seperti yang dijelaskan dalam pengukuran zat warna berbasis absorbansi: lakukan kalibrasi pada instrumen Anda, konfirmasikan puncaknya alih-alih mengasumsikan 664 nm, dan encerkan supernatan pekat hingga kembali berada dalam rentang linear.

Contoh perhitungan

Kapasitas berasal dari neraca massa. Zat warna yang hilang dari larutan berada pada karbon:

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

di mana qe adalah serapan kesetimbangan dalam mg/g, C0 dan Ce adalah konsentrasi awal dan kesetimbangan dalam mg/L, V adalah volume dalam liter, dan m adalah massa karbon dalam gram.

Titik pertama. Mulai dengan C0 = 100 mg/L, V = 0.100 L, m = 0.0200 g. Setelah kesetimbangan tercapai, instrumen melaporkan Ce = 35 mg/L. Maka qe = (100 minus 35) times 0.100 divided by 0.0200 = 65 times 0.100 divided by 0.0200 = 325 mg/g. Persentase penghilangan adalah (100 minus 35) divided by 100 times 100 = 65 percent.

Titik kedua, dengan dosis dan volume yang sama tetapi pemuatan lebih tinggi. Mulai dengan C0 = 200 mg/L dan ukur Ce = 90 mg/L. Maka qe = (200 minus 90) times 0.100 divided by 0.0200 = 550 mg/g, sementara penghilangan adalah (200 minus 90) divided by 200 times 100 = 55 percent.

Dua pasangan ini, (Ce = 35, qe = 325) dan (Ce = 90, qe = 550), adalah dua titik pada sebuah isoterm. Perhatikan perilaku yang berlawanan: kapasitas naik dari 325 menjadi 550 mg/g sementara penghilangan turun dari 65 menjadi 55 percent. Kapasitas dan persentase penghilangan bergerak ke arah yang berlawanan ketika konsentrasi meningkat. Siapa pun yang memeringkat karbon berdasarkan persentase penghilangan yang diukur pada dosis atau konsentrasi berbeda sebenarnya memeringkat eksperimennya, bukan materialnya.

Variabel yang harus Anda kendalikan

Setiap faktor di bawah ini mengubah nilainya. Tetapkan masing-masing atau catat.

Dosis. Lebih banyak karbon berarti lebih banyak situs, sehingga persentase penghilangan meningkat sementara serapan per gram biasanya menurun, karena zat warna yang tertangkap tersebar pada massa yang lebih besar. Laporkan dosis dalam g/L beserta V dan m yang mendasarinya.

Konsentrasi awal. C0 yang lebih tinggi memberikan gaya pendorong yang lebih besar, sehingga qe meningkat sementara persentase penghilangan turun ketika situs mulai jenuh. Isoterm yang dipasang pada rentang 5 hingga 50 mg/L dan pada rentang 100 hingga 400 mg/L menggambarkan bagian kurva yang berbeda. Bandingkan kapasitas hasil fitting hanya pada rentang yang saling tumpang tindih.

pH. Untuk zat warna kationik ini, serapan umumnya meningkat seiring kenaikan pH, khususnya di atas titik muatan nol karbon ketika permukaannya menjadi bermuatan negatif secara keseluruhan. pH rendah memprotonasi situs permukaan dan memungkinkan ion hidrogen bersaing menempati situs tersebut. Besarnya efek bergantung pada karbon: satu studi karbon aktif meningkat dari sekitar 51 mg/g pada pH 2 menjadi sekitar 92 mg/g pada pH 8. Catat pH awal dan kesetimbangan beserta garam latar belakang, karena kekuatan ionik menyaring gaya yang sama dengan yang diatur oleh pH.

Waktu kontak. Serapan meningkat tajam, kemudian mendatar. Hanya nilai pada plateau yang merupakan qe; nilai apa pun sebelumnya adalah qt. Waktu kesetimbangan yang dipublikasikan berkisar dari beberapa menit hingga berjam-jam untuk karbon yang berbeda, dengan waktu kontak 24 jam pada beberapa prosedur standar. Tentukan plateau secara kinetik untuk karbon Anda sendiri, alih-alih mengasumsikan bahwa dua jam sudah cukup.

Suhu. Tidak ada arah yang berlaku secara universal. Serapan meningkat bersama suhu pada sistem endotermik dan menurun pada sistem eksotermik, sehingga ukur nilainya alih-alih membuat asumsi.

Ukuran partikel dan agitasi. Partikel yang lebih halus memperpendek jalur difusi dan biasanya mempercepat serapan; agitasi yang lebih kuat menipiskan lapisan stagnan di sekitar partikel dan menghasilkan efek yang sama. Keduanya mengubah laju, bukan kesetimbangan itu sendiri. Kapasitas yang berubah akibat kecepatan pengadukan merupakan tanda bahwa kesetimbangan belum pernah tercapai.

Identitas reagen juga harus masuk dalam catatan, itulah sebabnya pemeriksaan kemurnian dan spesifikasi zat warna ditempatkan berdampingan dengan massa karbon: metilen biru dapat dijual sebagai garam anhidrat dengan massa molar sekitar 319.9 g/mol atau sebagai trihidrat pada 373.90 g/mol, dan assay komersial sering kali berada di bawah 100 percent. C0 nominal yang dihitung dengan massa rumus yang salah akan membuat setiap qe salah secara sistematis.

Apa yang dapat dan tidak dapat disimpulkan dari kurva hasil fitting

Fitting Langmuir menuliskan qe sebagai qmax times KL times Ce divided by (1 plus KL times Ce). Model ini menghasilkan kapasitas saturasi hasil fitting qmax dalam mg/g dan konstanta afinitas KL dalam L/mg. Fitting yang baik berarti kurva saturasi khusus ini menggambarkan rentang konsentrasi yang diukur dengan baik. Hal itu tidak membuktikan bahwa karbon memiliki satu populasi situs yang seragam, bahwa penutupannya benar-benar berupa monolapis, atau bahwa suatu mekanisme molekuler tertentu bekerja. Karbon berpori heterogen secara rutin menghasilkan kurva berbentuk Langmuir pada rentang terbatas.

Fitting Freundlich menuliskan qe sebagai KF times Ce to the power 1/n. KF menetapkan skala kapasitas empiris dan 1/n menetapkan kelengkungan. Karena bentuk ini tidak memiliki plateau hingga, bentuk ini tidak boleh diekstrapolasi untuk menciptakan qmax. Fitting Freundlich yang lebih baik hanya berarti bentuk kurvanya yang terus meningkat lebih cocok dengan interval pengukuran. Persamaan apa pun yang digunakan, utamakan regresi nonlinear pada bentuk aslinya, karena transformasi linear mendistorsi galat, dan periksa residual alih-alih hanya mempercayai R squared.

Pelajaran dari 914 eksperimen

Sebuah analisis machine learning terhadap 914 eksperimen dari 75 makalah memodelkan serapan metilen biru pada lempung, abu, dan material teraktivasi alkali menggunakan gradient boosted regression trees. Hasil utamanya: konsentrasi awal zat warna merupakan prediktor dominan terhadap serapan yang dilaporkan, dengan pH, identitas bahan baku, dan jenis modifikasi juga penting, serta terdapat interaksi kuat antara konsentrasi dan hampir setiap variabel lain termasuk dosis, luas permukaan, waktu kontak, dan agitasi.

Dua catatan kehati-hatian membuat temuan ini tetap berguna. Pertama, studi tersebut tidak mencakup karbon aktif, sehingga tidak dapat memeringkat variabel pada karbon. Kedua, pelajarannya bersifat metodologis dan dapat diterapkan dengan jelas: konsentrasi awal bukan pernah menjadi variabel pengganggu yang dapat diabaikan, dan kondisi operasi berinteraksi dengan sifat material terlalu kuat sehingga pemeringkatan utama berdasarkan mg/g tidak dapat dipertahankan jika kondisinya dihilangkan. Itulah kesimpulan yang sama dengan yang diperoleh dari contoh perhitungan berdasarkan prinsip dasar.

Dua kesalahan yang harus dihentikan

Pertama, berhenti melaporkan persentase penghilangan sebagai kapasitas. Dosis besar dapat menghilangkan warna 99 percent dari larutan encer sambil hanya menahan sedikit miligram per gram, sedangkan dosis kecil dalam larutan pekat dapat menahan ratusan miligram per gram sambil tetap menyisakan warna yang terlihat. Selalu laporkan C0, Ce, V, m, dosis dalam g/L, persentase penghilangan, dan qe secara bersamaan, atau angka tersebut tidak dapat digunakan kembali.

Kedua, berhenti menyebut nilai pada waktu tetap sebagai qe tanpa menunjukkan plateau kinetik, dan berhenti menstandarkan zat warna berdasarkan berat yang tercantum pada label. Verifikasi kesetimbangan dengan seri waktu, verifikasi konsentrasi secara spektrofotometrik alih-alih mempercayai berat berdasarkan label mengingat masalah hidrat dan assay, serta kendalikan pH, suhu, ukuran partikel, dan agitasi. Kapasitas metilen biru dengan semua informasi tersebut terlampir merupakan pengukuran yang dapat diterapkan kembali. Tanpanya, itu hanya anekdot.