メチレンブルー吸着試験：活性炭における容量

ある実験室が2種類の活性炭を比較しています。一方のデータシートには、もう一方の3倍のメチレンブルー値が記載されています。実験室は大きい方の数値を購入判断に使い、その値に基づいて添加量を決定しましたが、色素は早期に漏出しました。データが偽造されたわけではありません。2つの数値は異なる試験から得られたものであり、購入者が同じ量として読み取ったことが問題でした。

この記事では、その読み違いを修正します。試験が測定するものを説明し、実際の数値を用いて計算を2回実施し、結果を変化させるすべての変数を示します。異なる吸着剤を相互比較するという別の問題は別途扱います。ここでは、1つの材料クラスと1つの方法を対象にします。

なぜこの色素がプローブなのか

メチレンブルーは、カチオン性の平面芳香族色素です。水中では正電荷を持つイオンとして存在し、その分子サイズはおよそ1.43 × 0.61 × 0.40 nmです。このサイズが重要です。もう1つの代表的なプローブであるヨウ素ははるかに小さく、狭いミクロ孔に入り込むため、ヨウ素価はミクロ孔の発達度を追跡します。メチレンブルーにはより広い入口が必要です。およそ0.75 nm以上の細孔にアクセスし、特に1.4〜3 nm程度の細孔から重要な寄与を受けます。これらの寸法は、より大きなミクロ孔と小さなメソ孔の範囲にまたがるため、この試験を純粋なメソ孔プローブと呼ぶのは単純化しすぎです。2つのプローブは互いを補完します。ヨウ素はどれだけ微細な細孔構造が存在するかを問い、メチレンブルーは大きな有機分子を取り込める細孔空間がどれだけあるかを問い、これは色素除去において重要な問いです。どちらの数値も、それ単独では他の分子の吸着量を予測できません。

電荷はサイズと同じくらい重要です。色素はカチオン性であるため、負に帯電した表面に引き寄せられ、正に帯電した表面から反発されます。そのため、以下の実験で示すように、pHは補足事項ではなく主要な変数になります。

バッチ試験の実施方法

標準的な実験室形式はバッチ平衡法です。炭素を調整し、制御された粒径分画にふるい分け、既知質量mを秤量します。既知体積Vの色素溶液を、初期濃度C0で加えます。pHと温度を一定に保ち、確認済みの時間撹拌した後、ろ過または遠心分離によって炭素を分離します。残留濃度CeをUV-Vis吸光度で測定します。通常は660〜665 nm付近、しばしば664 nmで、同じ装置上で調製した検量線を基準にします。ある公開手順では、0.050 gの炭素と50 mLの溶液を用い、10〜1000 mg/Lの範囲で、25 Cで24時間、660 nmで測定しました。万能な単一プロトコルは存在しないため、添加量、濃度範囲、時間、温度、pH、波長を伴わずに報告された値は結果ではありません。それは単なる噂です。

定量自体も、吸光度に基づく色素測定で説明されるのと同じ規律が必要です。装置ごとに校正し、664 nmと仮定せずピークを確認し、高濃度の上澄み液は直線範囲内に戻るよう希釈します。

計算例

容量は物質収支から求められます。溶液から失われた色素は炭素上に存在します。

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

ここでqeは平衡吸着量（mg/g）、C0とCeはそれぞれ初期濃度と平衡濃度（mg/L）、Vは体積（L）、mは炭素質量（g）です。

1つ目の例です。C0 = 100 mg/L、V = 0.100 L、m = 0.0200 gから開始します。平衡後、装置はCe = 35 mg/Lを示しました。このときqe = (100 minus 35) times 0.100 divided by 0.0200 = 65 times 0.100 divided by 0.0200 = 325 mg/gです。除去率は(100 minus 35) divided by 100 times 100 = 65 percentです。

2つ目の例では、同じ添加量と体積で、より高い負荷をかけます。C0 = 200 mg/Lから開始し、Ce = 90 mg/Lを測定しました。このときqe = (200 minus 90) times 0.100 divided by 0.0200 = 550 mg/gであり、除去率は(200 minus 90) divided by 200 times 100 = 55 percentです。

この2組、(Ce = 35, qe = 325) と (Ce = 90, qe = 550) は、等温線の2点です。挙動の交差に注意してください。容量は325から550 mg/gに増加する一方、除去率は65から55 percentに低下しました。濃度が上昇すると、容量と除去率は反対方向に変化します。異なる添加量や濃度で測定した除去率によって炭素を順位付けする人は、材料ではなく実験を順位付けしています。