Ásogspróf með metýlenbláu: ásogsrýmd virkra kola

Rannsóknarstofa ber saman tvær gerðir virkra kola. Eitt gagnablaðið gefur upp þrefalt hærra metýlenblágildi en hitt. Rannsóknarstofan kaupir kolin með hærra gildinu, ákvarðar skammtastærð út frá því og litarefnið sleppur snemma í gegn. Ekkert hafði verið falsað. Gildin tvö komu úr ólíkum prófum en kaupandinn túlkaði þau sem sama mælistærð.

Þessi grein leiðréttir þann túlkunarvanda. Hún útskýrir hvað prófið mælir, sýnir útreikninginn tvisvar með raunverulegum tölum og nefnir allar breytur sem hafa áhrif á niðurstöðuna. Skylt viðfangsefni, að raða ólíkum ásogsefnum eftir eiginleikum þeirra, er tekið fyrir sérstaklega; hér er fjallað um einn efnisflokk og eina aðferð.

Hvers vegna þetta litarefni er notað sem prófefni

Metýlenblátt er katjónískt, flatt arómatískt litarefni. Í vatni er það til staðar sem jákvætt hlaðin jón og stærð sameindarinnar er um það bil 1.43 sinnum 0.61 sinnum 0.40 nm. Þessi stærð er lykilatriðið. Joð, hitt hefðbundna prófefnið, er miklu smærra og kemst inn í þröngar örholur, svo joðtalan endurspeglar þróun örholukerfisins. Metýlenblátt þarf víðari innganga: það kemst inn í holur sem eru stærri en um það bil 0.75 nm, og holur á bilinu um 1.4 til 3 nm leggja mikið af mörkum. Þessar stærðir ná yfir stærri örholur og litlar miðholur, svo það er of mikil einföldun að segja að prófið mæli eingöngu miðholur. Prófefnin tvö bæta hvort annað upp. Joð segir til um hversu mikið er af fíngerðu holurými. Metýlenblátt segir til um hversu mikið holurými hleypir stórri lífrænni sameind inn, en það er spurningin sem skiptir máli við fjarlægingu litarefna. Hvorugt gildið eitt og sér spáir fyrir um upptöku annarra sameinda.

Hleðsla skiptir jafnmiklu máli og stærð. Þar sem litarefnið er katjónískt dregst það að neikvætt hlöðnum yfirborðum og hrindir sér frá jákvætt hlöðnum yfirborðum. Þess vegna er pH lykilbreyta en ekki aukaatriði, eins og tilraunirnar hér að neðan sýna.

Hvernig lotuprófið fer fram

Hefðbundin framkvæmd á rannsóknarstofu felst í að ná jafnvægi í lotu. Meðhöndlið kolin fyrir prófun, sigtið þau til að fá skilgreint kornastærðarbil og vegið þekktan massa m. Bætið við þekktu rúmmáli V af litarefnislausn með upphafsstyrk C0. Haldið pH og hitastigi föstum, hristið eða hrærið í staðfestan tíma og aðskiljið síðan kolin með síun eða skilvindun. Ákvarðið eftirstandandi styrk Ce með UV-Vis-ljósgleypnimælingu, yfirleitt við um 660 til 665 nm og oft við 664 nm, með samanburði við kvörðunarröð sem er útbúin fyrir sama mælitæki. Í einni birtri aðferð voru notuð 0.050 g af kolum með 50 mL af lausn á styrkbilinu 10 til 1000 mg/L, í 24 klukkustundir við 25 C, með mælingu við 660 nm. Engin ein prófunaraðferð er algild, svo gildi sem er birt án upplýsinga um skammtastærð, styrkbil, tíma, hitastig, pH og bylgjulengd er ekki niðurstaða. Það er orðrómur.

Magngreiningin sjálf krefst sama aga og lýst er fyrir mælingar á litarefnum með ljósgleypni: kvarðið á ykkar eigin mælitæki, staðfestið toppinn í stað þess að gera ráð fyrir 664 nm og þynnið sterka flotvökva þar til þeir eru aftur innan línulega mælisviðsins.

Útreikningsdæmið

Ásogsrýmd fæst með massajafnvægi. Litarefnið sem vantar í lausnina situr á kolunum:

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

þar sem qe er upptaka við jafnvægi í mg/g, C0 og Ce eru upphafsstyrkur og jafnvægisstyrkur í mg/L, V er rúmmál í lítrum og m er massi kola í grömmum.

Fyrri mælipunktur. Byrjið með C0 = 100 mg/L, V = 0.100 L, m = 0.0200 g. Eftir að jafnvægi er náð sýnir mælitækið Ce = 35 mg/L. Þá er qe = (100 minus 35) times 0.100 divided by 0.0200 = 65 times 0.100 divided by 0.0200 = 325 mg/g. Hlutfallið sem er fjarlægt er (100 minus 35) divided by 100 times 100 = 65 prósent.

Seinni mælipunktur, sama skammtastærð og rúmmál en meira álag. Byrjið með C0 = 200 mg/L og mælið Ce = 90 mg/L. Þá er qe = (200 minus 90) times 0.100 divided by 0.0200 = 550 mg/g, en hlutfallið sem er fjarlægt er (200 minus 90) divided by 200 times 100 = 55 prósent.

Þessi tvö pör, (Ce = 35, qe = 325) og (Ce = 90, qe = 550), eru tveir punktar á ásogsjafnhitaferli. Takið eftir gagnstæðri þróun: ásogsrýmd jókst úr 325 í 550 mg/g á meðan hlutfallið sem var fjarlægt lækkaði úr 65 í 55 prósent. Ásogsrýmd og hlutfallið sem er fjarlægt breytast í gagnstæðar áttir þegar styrkur eykst. Sá sem raðar kolum eftir hlutfalli litarefnis sem er fjarlægt við mismunandi skammtastærðir eða styrki er að raða tilraununum, ekki efnunum.

Breyturnar sem þarf að stýra

Hvert atriði hér að neðan breytir gildinu. Haldið hverju þeirra föstu eða skráið það.

Skammtastærð. Meira af kolum þýðir fleiri ásogsstaði, svo hlutfallið sem er fjarlægt hækkar á meðan upptaka á hvert gramm minnkar yfirleitt, því bundið litarefni dreifist á meiri massa. Gefið upp skammtastærð í g/L ásamt V og m sem liggja að baki.

Upphafsstyrkur. Hærra C0 gefur meiri drifkraft, svo qe hækkar á meðan hlutfallið sem er fjarlægt lækkar þegar ásogsstaðir mettast. Jafnhitaferlar sem eru aðlagaðir að mælingum á bilinu 5 til 50 mg/L og á bilinu 100 til 400 mg/L lýsa ólíkum hlutum ferilsins. Berið aðeins saman ásogsrýmd úr aðlöguðum líkönum á skarandi styrkbilum.

pH. Upptaka þessa katjóníska litarefnis eykst oft með pH, sérstaklega þegar pH er yfir núllhleðslupunkti kolanna og yfirborðið verður neikvætt í heild. Við lágt pH prótónast yfirborðsstaðir og vetnisjónir keppa um þá. Stærð áhrifanna er háð kolagerðinni: í einni rannsókn á virkum kolum jókst upptakan úr um 51 mg/g við pH 2 í um 92 mg/g við pH 8. Skráið pH í upphafi og við jafnvægi ásamt söltum sem eru til staðar í lausninni, því jónastyrkur deyfir sömu krafta og pH hefur áhrif á.

Snertitími. Upptakan eykst hratt og fletur síðan út. Aðeins gildið á flata hluta ferilsins er qe; allt sem mælist fyrr er qt. Birtir jafnvægistímar fyrir ólíkar kolagerðir spanna allt frá mínútum upp í margar klukkustundir, og sumar staðlaðar aðferðir nota 24 klukkustunda snertitíma. Ákvarðið flata hluta ferilsins með hraðafræðilegum mælingum fyrir ykkar kol í stað þess að gera ráð fyrir að tvær klukkustundir dugi.

Hitastig. Engin ein breytingarstefna gildir almennt. Upptaka eykst með hitastigi í innvermunarkerfum og minnkar í útvermunarkerfum, svo mælið hana í stað þess að gefa ykkur niðurstöðuna.

Kornastærð og hræring. Fínni agnir stytta flæðisleiðir og hraða yfirleitt upptöku; öflugri hræring þynnir kyrrstæða vökvalagið umhverfis agnirnar og gerir hið sama. Hvort tveggja breytir hraðanum en ekki jafnvæginu sjálfu. Ásogsrýmd sem breytist með hræringarhraða er viðvörun um að jafnvægi hafi aldrei náðst.

Einnig þarf að skrá nákvæmlega hvaða hvarfefni er notað, og þess vegna eiga athuganir á hreinleika og gæðalýsingu litarefnisins heima við hlið skráningar á kolamassanum: metýlenblátt getur verið selt sem vatnsfrítt salt með mólmassa um 319.9 g/mol eða sem þríhýdrat með mólmassa 373.90 g/mol, og mælt innihald í söluvöru er oft undir 100 prósentum. Nafngildi C0 sem er reiknað út frá röngum formúlumassa gerir öll qe-gildi kerfisbundið röng.

Hvað aðlagaðir ferlar segja og segja ekki

Í Langmuir-líkani er qe sett fram sem qmax sinnum KL sinnum Ce deilt með (1 plús KL sinnum Ce). Úr aðlöguninni fæst mettunarrýmd qmax í mg/g og sækni fasti KL í L/mg. Góð aðlögun þýðir að þessi tiltekni mettunarferill lýsir mælda styrkbilinu vel. Hún sannar ekki að kolin hafi einn einsleitan hóp ásogsstaða, að þekjan sé eingöngu eitt sameindalag eða að einhver tiltekinn sameindafræðilegur verkunarháttur sé að verki. Misleit gljúp kol gefa iðulega ferla með Langmuir-lögun á takmörkuðum bilum.

Í Freundlich-líkani er qe sett fram sem KF sinnum Ce í veldinu 1/n. KF ákvarðar reynslubundinn kvarða ásogsrýmdarinnar og 1/n ákvarðar sveigjuna. Þar sem þetta líkan hefur engan endanlegan flatan hluta má aldrei framreikna það til að búa til qmax. Betri aðlögun Freundlich-líkans þýðir aðeins að hækkandi lögun þess fellur betur að mælda bilinu. Hvort sem jafnan er notuð er betra að beita ólínulegri aðhvarfsgreiningu á upprunalega formið, því línulegar umbreytingar bjaga skekkjurnar, og skoða leifarnar í stað þess að treysta eingöngu á R í öðru veldi.

Hvað 914 tilraunir kenna okkur

Greining með vélrænu námi á 914 tilraunum úr 75 greinum notaði aðhvarfstré með stigulmögnun til að líkja eftir upptöku metýlenblás í leirum, ösku og alkalívirkjuðum efnum. Meginniðurstaðan var þessi: upphafsstyrkur litarefnis var sterkasta spábreytan fyrir uppgefna upptöku, en pH, gerð hráefnis og tegund breytingar á efninu skiptu einnig máli. Sterk víxlverkun var milli styrks og nær allra annarra breyta, þar á meðal skammtastærðar, yfirborðsflatarmáls, snertitíma og hræringar.

Tveir fyrirvarar halda þessari niðurstöðu gagnlegri. Í fyrsta lagi náði rannsóknin ekki yfir virk kol og getur því ekki raðað breytum eftir mikilvægi fyrir kol. Í öðru lagi snýr lærdómurinn að aðferðafræði og yfirfærist auðveldlega: upphafsstyrkur er aldrei aðeins truflandi breyta, og víxlverkun aðstæðna við efniseiginleika er of sterk til að nokkur röðun byggð á mg/g-gildum standist þegar skilyrðunum sem lágu að baki er sleppt. Þetta er sama niðurstaða og fæst í útreikningsdæminu út frá grunnlögmálum.

Tvær villur sem þarf að hætta að gera

Í fyrsta lagi skal hætta að gefa upp hlutfall litarefnis sem er fjarlægt sem ásogsrýmd. Stór skammtur getur fjarlægt 99 prósent af litnum úr veikri lausn en samt bundið fá milligrömm á hvert gramm, og lítill skammtur í sterkri lausn getur bundið hundruð milligramma á hvert gramm þótt sýnilegur litur sé enn til staðar. Gefið alltaf upp C0, Ce, V, m, skammtastærð í g/L, hlutfallið sem er fjarlægt og qe saman, annars er ekki hægt að nýta gildið aftur.

Í öðru lagi skal hætta að kalla gildi mælt eftir fastan tíma qe án þess að sýna flata hluta hraðafræðiferilsins, og hætta að staðla litarefnið út frá þyngdinni sem gefin er upp á merkimiðanum. Staðfestið jafnvægi með tímaröð, staðfestið styrk með ljósgleypnimælingu í stað þess að treysta á útreikning út frá vigtuðu magni og upplýsingum á merkimiða, í ljósi vandans með kristalvatn og mælt innihald, og stýrið pH, hitastigi, kornastærð og hræringu. Ásogsrýmd fyrir metýlenblátt ásamt þessum upplýsingum er mæling sem hægt er að yfirfæra. Án þeirra er hún aðeins stök frásögn.