მეთილენის ლურჯის ადსორბციის ტესტები და აქტივირებული ნახშირი: ტესტის ჩატარება და შედეგის ინტერპრეტაცია

ლაბორატორია ორ აქტივირებულ ნახშირს ადარებს. ერთის ტექნიკურ მონაცემებში მეთილენის ლურჯის მაჩვენებელი მეორისაზე სამჯერ მეტია. ლაბორატორია უფრო მაღალი მაჩვენებლის მქონე ნახშირს ყიდულობს, დოზას მის მიხედვით არჩევს, მაგრამ საღებავი მოსალოდნელზე ადრე იწყებს ნახშირის გავლით გამოსვლას. არაფერი გაუყალბებიათ. ეს ორი რიცხვი სხვადასხვა ტესტით მიიღეს, მყიდველმა კი ისინი ერთი და იმავე სიდიდედ მიიჩნია.

ეს სტატია ინტერპრეტაციის სწორედ ამ შეცდომას ასწორებს. იგი განმარტავს, რას ზომავს ტესტი, ორჯერ ასრულებს გამოთვლას რეალური რიცხვებით და ასახელებს ყველა ცვლადს, რომელიც შედეგს ცვლის. სხვადასხვა ადსორბენტის ერთმანეთთან შედარებისა და რანჟირების თანმდევი პრობლემა ცალკე განიხილება; აქ საუბარია მასალების ერთ კლასსა და ერთ მეთოდზე.

რატომ გამოიყენება ეს საღებავი ზონდად

მეთილენის ლურჯი კატიონური, ბრტყელი არომატული საღებავია. წყალში იგი დადებითად დამუხტული იონის სახით არსებობს, ხოლო მისი მოლეკულის ზომებია დაახლოებით 1.43 × 0.61 × 0.40 nm. სწორედ ეს ზომაა მნიშვნელოვანი. იოდი, კიდევ ერთი კლასიკური ზონდი, გაცილებით პატარაა და ვიწრო მიკროფორებში აღწევს, ამიტომ იოდის რიცხვი მიკროფორების განვითარებას ასახავს. მეთილენის ლურჯს უფრო ფართო შესასვლელები სჭირდება: იგი აღწევს დაახლოებით 0.75 nm-ზე დიდ ფორებში, ხოლო დაახლოებით 1.4-დან 3 nm-მდე ფორებს მნიშვნელოვანი წვლილი შეაქვს. ეს ზომები მოიცავს როგორც უფრო დიდ მიკროფორებს, ისე მცირე მეზოფორებს, ამიტომ ტესტის მხოლოდ მეზოფორების ზონდად მიჩნევა ზედმეტი გამარტივებაა. ეს ორი ზონდი ერთმანეთს ავსებს. იოდი გვიჩვენებს, რამდენად განვითარებულია წვრილი ფორიანობა. მეთილენის ლურჯი კი გვიჩვენებს, რამდენ ფოროვან სივრცეში შეუძლია დიდ ორგანულ მოლეკულას შეღწევა — სწორედ ეს საკითხია მნიშვნელოვანი საღებავის მოსაცილებლად. ცალკე აღებული არცერთი მაჩვენებელი არ პროგნოზირებს სხვა მოლეკულების ადსორბციას.

მუხტი ისეთივე მნიშვნელოვანია, როგორც ზომა. რადგან საღებავი კატიონურია, უარყოფითად დამუხტული ზედაპირები მას იზიდავს, დადებითად დამუხტული კი განიზიდავს. ამიტომ pH ერთ-ერთი მთავარი ცვლადია და არა მეორეხარისხოვანი შენიშვნა, როგორც ქვემოთ აღწერილი ექსპერიმენტები აჩვენებს.

როგორ ტარდება პერიოდული ტესტი

სტანდარტული ლაბორატორიული მეთოდი დახურულ სისტემაში წონასწორობის დამყარებას გულისხმობს. წინასწარ მოამზადეთ ნახშირი, გაცერით განსაზღვრული ნაწილაკური ფრაქციის მისაღებად და აწონეთ ცნობილი მასა m. დაამატეთ საღებავის ხსნარის ცნობილი მოცულობა V, საწყისი კონცენტრაციით C0. შეინარჩუნეთ უცვლელი pH და ტემპერატურა, ურიეთ გადამოწმებული დროის განმავლობაში, შემდეგ კი ნახშირი ფილტრაციით ან ცენტრიფუგირებით გამოყავით. დარჩენილი კონცენტრაცია Ce განსაზღვრეთ UV-Vis შთანთქმის გაზომვით, ჩვეულებრივ 660-დან 665 nm-მდე არეში და ხშირად 664 nm-ზე, იმავე ხელსაწყოზე მომზადებული საკალიბრაციო სერიის გამოყენებით. ერთ გამოქვეყნებულ პროცედურაში გამოიყენებოდა 0.050 g ნახშირი და 50 mL ხსნარი, კონცენტრაციების დიაპაზონით 10-დან 1000 mg/L-მდე; კონტაქტი გრძელდებოდა 24 საათი 25 C-ზე, გაზომვა კი ტარდებოდა 660 nm-ზე. ერთი უნივერსალური პროტოკოლი არ არსებობს, ამიტომ დოზის, კონცენტრაციების დიაპაზონის, დროის, ტემპერატურის, pH-ისა და ტალღის სიგრძის გარეშე მითითებული რიცხვი შედეგი არ არის. ეს მხოლოდ ხმებია.

რაოდენობრივი განსაზღვრაც იმავე სიზუსტეს მოითხოვს, რაც შთანთქმაზე დაფუძნებული საღებავის გაზომვისას არის აღწერილი: დაკალიბრეთ თქვენი ხელსაწყო, გადაამოწმეთ პიკის მდებარეობა იმის ნაცვლად, რომ ავტომატურად 664 nm იგულისხმოთ, და მაღალი კონცენტრაციის სუპერნატანტები გააზავეთ, რათა გაზომვა ხაზოვან დიაპაზონში დაბრუნდეს.

გამოთვლის მაგალითები

ტევადობა მასის ბალანსიდან მიიღება. ხსნარიდან გამქრალი საღებავი ნახშირზეა შეკავებული:

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

აქ qe არის წონასწორული ადსორბციის სიდიდე mg/g-ში, C0 და Ce — საწყისი და წონასწორული კონცენტრაციები mg/L-ში, V — მოცულობა ლიტრებში, ხოლო m — ნახშირის მასა გრამებში.

პირველი წერტილი. საწყისი პირობებია C0 = 100 mg/L, V = 0.100 L, m = 0.0200 g. წონასწორობის დამყარების შემდეგ ხელსაწყო აჩვენებს Ce = 35 mg/L. მაშინ qe = (100 minus 35) times 0.100 divided by 0.0200 = 65 times 0.100 divided by 0.0200 = 325 mg/g. მოცილების პროცენტია (100 minus 35) divided by 100 times 100 = 65 პროცენტი.

მეორე წერტილი: იგივე დოზა და მოცულობა, უფრო მაღალი დატვირთვა. საწყისი კონცენტრაციაა C0 = 200 mg/L, გაზომილი კი — Ce = 90 mg/L. მაშინ qe = (200 minus 90) times 0.100 divided by 0.0200 = 550 mg/g, ხოლო მოცილება შეადგენს (200 minus 90) divided by 200 times 100 = 55 პროცენტს.

ეს ორი წყვილი, (Ce = 35, qe = 325) და (Ce = 90, qe = 550), იზოთერმის ორ წერტილს წარმოადგენს. ყურადღება მიაქციეთ საპირისპირო ცვლილებას: ტევადობა 325-დან 550 mg/g-მდე გაიზარდა, მოცილება კი 65-დან 55 პროცენტამდე შემცირდა. კონცენტრაციის მატებისას ტევადობა და მოცილების პროცენტი საპირისპირო მიმართულებით იცვლება. ვინც ნახშირებს სხვადასხვა დოზაზე ან კონცენტრაციაზე გაზომილი მოცილების პროცენტით აჯგუფებს, სინამდვილეში ექსპერიმენტს აფასებს და არა მასალას.

ცვლადები, რომლებიც უნდა აკონტროლოთ

ქვემოთ ჩამოთვლილი თითოეული პარამეტრი რიცხვს ცვლის. თითოეული ან უცვლელი შეინარჩუნეთ, ან აღრიცხეთ.

დოზა. მეტი ნახშირი მეტ ადსორბციულ ცენტრს ნიშნავს, ამიტომ მოცილების პროცენტი იზრდება, ხოლო ერთ გრამზე ადსორბირებული რაოდენობა ჩვეულებრივ მცირდება, რადგან შეკავებული საღებავი მეტ მასაზე ნაწილდება. მიუთითეთ დოზა g/L-ში შესაბამის V-სა და m-თან ერთად.

საწყისი კონცენტრაცია. უფრო მაღალი C0 უფრო დიდ მამოძრავებელ ძალას ქმნის, ამიტომ qe იზრდება, ხოლო ცენტრების გაჯერებასთან ერთად მოცილების პროცენტი მცირდება. 5-დან 50 mg/L-მდე და 100-დან 400 mg/L-მდე დიაპაზონებზე მორგებული იზოთერმები მრუდის სხვადასხვა უბანს აღწერს. მოდელით მიღებული ტევადობები მხოლოდ გადაფარულ დიაპაზონებზე შეადარეთ.

pH. ამ კატიონური საღებავის ადსორბცია ჩვეულებრივ pH-ის ზრდასთან ერთად მატულობს, განსაკუთრებით ნახშირის ნულოვანი მუხტის წერტილის ზემოთ, სადაც ზედაპირის ჯამური მუხტი უარყოფითი ხდება. დაბალი pH ზედაპირულ ცენტრებს პროტონირებს და წყალბადის იონებს მათთვის კონკურენციის შესაძლებლობას აძლევს. ეფექტის სიდიდე კონკრეტულ ნახშირზეა დამოკიდებული: აქტივირებული ნახშირის ერთ კვლევაში ადსორბცია დაახლოებით 51 mg/g-დან pH 2-ზე დაახლოებით 92 mg/g-მდე გაიზარდა pH 8-ზე. აღრიცხეთ საწყისი და წონასწორული pH, აგრეთვე ფონური მარილები, რადგან იონური ძალა იმავე ურთიერთქმედებებს ეკრანირებს, რომლებსაც pH ცვლის.

კონტაქტის დრო. ადსორბცია თავდაპირველად მკვეთრად იზრდება, შემდეგ კი პლატოს აღწევს. მხოლოდ პლატოზე მიღებული მნიშვნელობაა qe; მანამდე გაზომილი ნებისმიერი მნიშვნელობა qt-ია. სხვადასხვა ნახშირისთვის გამოქვეყნებული წონასწორობის დამყარების დრო რამდენიმე წუთიდან მრავალ საათამდე მერყეობს; ზოგ სტანდარტულ პროცედურაში კონტაქტი 24 საათს გრძელდება. თქვენი ნახშირისთვის პლატო კინეტიკური გაზომვებით განსაზღვრეთ და ნუ ივარაუდებთ, რომ ორი საათი საკმარისია.

ტემპერატურა. ცვლილების უნივერსალური მიმართულება არ არსებობს. ენდოთერმულ სისტემებში ტემპერატურის ზრდასთან ერთად ადსორბცია მატულობს, ეგზოთერმულში კი მცირდება, ამიტომ ვარაუდის ნაცვლად გაზომეთ.

ნაწილაკების ზომა და მორევა. უფრო წვრილი ნაწილაკები დიფუზიის გზას ამოკლებს და ჩვეულებრივ ადსორბციას აჩქარებს; უფრო ინტენსიური მორევა ნაწილაკების გარშემო უძრავ ფენას ათხელებს და იმავე ეფექტს იძლევა. ორივე ცვლის სიჩქარეს და არა თავად წონასწორობას. თუ ტევადობა მორევის სიჩქარეზეა დამოკიდებული, ეს გაფრთხილებაა, რომ წონასწორობა საერთოდ არ მიღწეულა.

რეაგენტის ზუსტი იდენტიფიკაციაც ჩანაწერის ნაწილია, ამიტომ ნახშირის მასასთან ერთად საჭიროა საღებავის სისუფთავისა და სპეციფიკაციის შემოწმება: მეთილენის ლურჯი შეიძლება იყიდებოდეს როგორც უწყლო მარილი, დაახლოებით 319.9 g/mol მოლური მასით, ან როგორც ტრიჰიდრატი, 373.90 g/mol მოლური მასით, ხოლო კომერციული პროდუქტის რაოდენობრივი შემცველობა ხშირად 100 პროცენტზე ნაკლებია. არასწორი ფორმულური მასით გამოთვლილი ნომინალური C0 ყველა qe-ს სისტემატურად მცდარს ხდის.

რას გვიჩვენებს მორგებული მრუდები და რას — არა

ლენგმიურის მოდელში qe გამოისახება როგორც qmax გამრავლებული KL-ზე და Ce-ზე, გაყოფილი (1-ს დამატებული KL-ისა და Ce-ის ნამრავლზე). იგი იძლევა მოდელით შეფასებულ გაჯერების ტევადობას qmax-ს mg/g-ში და აფინობის მუდმივას KL-ს L/mg-ში. კარგი მორგება ნიშნავს, რომ გაჯერების ეს კონკრეტული მრუდი გაზომილ კონცენტრაციათა დიაპაზონს კარგად აღწერს. ეს არ ამტკიცებს, რომ ნახშირს ერთგვაროვანი ადსორბციული ცენტრების ერთი ჯგუფი აქვს, რომ დაფარვა მკაცრად მონოშრიანია ან რომ რომელიმე კონკრეტული მოლეკულური მექანიზმი მოქმედებს. არაერთგვაროვანი ფოროვანი ნახშირები შეზღუდულ დიაპაზონებში ხშირად იძლევა ლენგმიურის ფორმის მრუდებს.

ფროინდლიხის მოდელში qe გამოისახება როგორც KF გამრავლებული Ce-ზე 1/n ხარისხში. KF ემპირიული ტევადობის მასშტაბს განსაზღვრავს, ხოლო 1/n — მრუდის სიმრუდეს. რადგან ამ ფორმას სასრული პლატო არ აქვს, მისი ექსტრაპოლაციით qmax-ის გამოგონება დაუშვებელია. ფროინდლიხის უკეთესი მორგება მხოლოდ იმას ნიშნავს, რომ მისი მზარდი ფორმა გაზომილ ინტერვალს უკეთ შეესაბამება. რომელი განტოლებაც უნდა გამოიყენოთ, უპირატესობა მიანიჭეთ საწყის ფორმაზე არაწრფივ რეგრესიას, რადგან გაწრფივების გარდაქმნები შეცდომებს ამახინჯებს; შეამოწმეთ ნაშთები და მხოლოდ R-ის კვადრატს ნუ ენდობით.

რას გვასწავლის 914 ექსპერიმენტი

75 ნაშრომიდან აღებული 914 ექსპერიმენტის მანქანური სწავლების ანალიზში მეთილენის ლურჯის ადსორბცია თიხებზე, ნაცრებზე და ტუტით აქტივირებულ მასალებზე გრადიენტული ბუსტინგის რეგრესიული ხეებით მოდელირდა. მთავარი შედეგი ასეთი იყო: აღწერილი ადსორბციის სიდიდის დომინანტური პროგნოზული ცვლადი საღებავის საწყისი კონცენტრაცია აღმოჩნდა. მნიშვნელოვანი იყო აგრეთვე pH, საწყისი მასალის სახეობა და მოდიფიკაციის ტიპი; ამასთან, კონცენტრაციასა და თითქმის ყველა სხვა ცვლადს შორის ძლიერი ურთიერთქმედება გამოვლინდა, მათ შორის დოზასთან, ზედაპირის ფართობთან, კონტაქტის დროსა და მორევასთან.

ამ მიგნების სწორად გამოსაყენებლად ორი შეზღუდვა უნდა გავითვალისწინოთ. პირველი: კვლევა აქტივირებულ ნახშირს არ მოიცავდა, ამიტომ მის საფუძველზე ნახშირისთვის ცვლადების მნიშვნელობის რანჟირება შეუძლებელია. მეორე: მისი გაკვეთილი მეთოდოლოგიურია და სხვა შემთხვევებზეც პირდაპირ ვრცელდება — საწყისი კონცენტრაცია არასოდეს არის უმნიშვნელო ხელშემშლელი ცვლადი, ხოლო სამუშაო პირობები მასალის თვისებებთან იმდენად ძლიერ ურთიერთქმედებს, რომ მხოლოდ mg/g-ის მაჩვენებლით შედგენილი ვერცერთი რეიტინგი ვერ დარჩება სანდო, თუ მისი მიღების პირობები დაიკარგება. გამოთვლის მაგალითიც საბაზისო პრინციპებიდან იმავე დასკვნამდე მიდის.

ორი შეცდომა, რომლებიც აღარ უნდა დაუშვათ

პირველი: შეწყვიტეთ მოცილების პროცენტის ტევადობად წარმოდგენა. დიდმა დოზამ შეიძლება დაბალი კონცენტრაციის ხსნარში საღებავის 99 პროცენტი მოაცილოს და ამავე დროს ერთ გრამზე მხოლოდ რამდენიმე მილიგრამი შეაკავოს; მცირე დოზამ კი მაღალი კონცენტრაციის ხსნარში ერთ გრამზე ასობით მილიგრამი შეაკავოს, მიუხედავად იმისა, რომ ხილული შეფერილობა დარჩება. ყოველთვის ერთად მიუთითეთ C0, Ce, V, m, დოზა g/L-ში, მოცილების პროცენტი და qe; სხვაგვარად რიცხვის ხელახლა გამოყენება შეუძლებელია.

მეორე: შეწყვიტეთ ფიქსირებულ დროში გაზომილი მნიშვნელობის qe-დ მოხსენიება კინეტიკური პლატოს ჩვენების გარეშე და შეწყვიტეთ საღებავის კონცენტრაციის დადგენა მხოლოდ ეტიკეტით განსაზღვრული მასის მიხედვით. წონასწორობა დროითი გაზომვების სერიით გადაამოწმეთ; ჰიდრატისა და რაოდენობრივი შემცველობის პრობლემის გამო კონცენტრაცია სპექტროფოტომეტრიულად შეამოწმეთ და მხოლოდ აწონილ მასასა და ეტიკეტს ნუ ენდობით; აკონტროლეთ pH, ტემპერატურა, ნაწილაკების ზომა და მორევა. მეთილენის ლურჯის ადსორბციული ტევადობა, რომელსაც ეს მონაცემები ახლავს, სხვა პირობებში გამოსაყენებელი გაზომვაა. მათ გარეშე ის მხოლოდ ცალკეული შემთხვევის აღწერაა.