მეთილენის ლურჯის ადსორბენტების შედარება: ტევადობა, კინეტიკა, პირობები

ერთი კვლევა ასახელებს 58 mg/g-ს. მეორე — 725 mg/g-ს. ადვილია დავასკვნათ, რომ მეორე ადსორბენტი თორმეტჯერ უკეთესია და კითხვა შევწყვიტოთ. ასეთი რეიტინგი, როგორც წესი, აზრს მოკლებულია, რადგან ეს ორი რიცხვი განსხვავებულ პირობებშია მიღებული და შესაძლოა ერთი ტიპის მაჩვენებელიც კი არ იყოს.

ადსორბციის შესახებ ნაშრომებში გვხვდება სამი ერთმანეთის მსგავსი სიდიდე: მოცილების პროცენტი, გაზომილი შთანთქმა და მორგებული ტევადობა. ამას ემატება საღებავის დასაკავშირებლად შემოთავაზებული მასალების მრავალფეროვნება და გარემოზე საღებავის რეაგირების განსხვავებული გზები, რის გამოც შედარება ჯერ შესაბამისობის დადგენის ამოცანაა და მხოლოდ შემდეგ — რანჟირების.

ეს სიფრთხილე სტრუქტურულია და არა ცალკეულ შემთხვევებზე დაფუძნებული. თიხებზე, ნაცრებსა და ტუტით აქტივირებულ მასალებზე ჩატარებული 75 ნაშრომიდან 914 ექსპერიმენტის მანქანური სწავლების ანალიზმა აჩვენა, რომ გამოქვეყნებულ შთანთქმის მაჩვენებლებზე ძირითადად ექსპერიმენტული პარამეტრები მოქმედებდა, ხოლო ყველაზე ძლიერი პროგნოზირებადი ფაქტორი საღებავის საწყისი კონცენტრაცია იყო. 2024 წლის მიმოხილვა ფოთლებისგან მიღებული ადსორბენტების შესახებ აჩვენებს, რამდენად ფართოდ განსხვავდება პროტოკოლები ერთი მასალების ოჯახის ფარგლებშიც კი. არცერთი წყარო არ ამყარებს მხოლოდ თვალსაჩინო mg/g მნიშვნელობებზე აგებულ რეიტინგს.

მოცილების პროცენტი ტევადობა არ არის

არასწორი რეიტინგების უმეტესობა სამ ცნებას ერთმანეთში ურევს. მოცილების პროცენტი პასუხობს კითხვას, საღებავის რა ნაწილი გაქრა კონკრეტული ხსნარიდან. გაზომილი შთანთქმა გვიჩვენებს, წონასწორობისას რამდენი საღებავია ადსორბენტის თითოეულ გრამზე. მორგებული ტევადობა კი გვიჩვენებს, რა გაჯერების მნიშვნელობას პროგნოზირებს არჩეული იზოთერმის მოდელი მაღალი კონცენტრაციის პირობებში.

პირველ ორ მაჩვენებელს მასის ბალანსი აკავშირებს:

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

სადაც qe არის წონასწორული შთანთქმა mg/g-ში, C0 და Ce — საწყისი და წონასწორული კონცენტრაციები, V — მოცულობა, ხოლო m — ადსორბენტის მასა.

რიცხვითი მაგალითი კარგად აჩვენებს ხაფანგს. თუ 0.1 L მოცულობის 10 mg/L საღებავის ხსნარიდან 1 g ადსორბენტით 100 percent მოიხსნება, შედეგი მხოლოდ 1 mg/g იქნება. თუ 0.1 L მოცულობის 1000 mg/L საღებავის ხსნარიდან 0.1 g ადსორბენტით 80 percent მოიხსნება, შედეგი 800 mg/g იქნება. პირველი შედეგი პროცენტულად იდეალურად გამოიყურება, მაგრამ ტევადობის მაჩვენებლად თითქმის უსარგებლოა. ნებისმიერი რეიტინგი, რომელიც ამ ორ სვეტს ერთმანეთში ურევს, მასალას კი არა, ექსპერიმენტს აფასებს.

მორგებული qmax კიდევ ერთ ფენას ამატებს. მეთილენის ლურჯის ადსორბციის იზოთერმა რამდენიმე საწყისი კონცენტრაციისთვის qe-ს Ce-ს მიმართ გამოსახავს. Langmuir-ის მორგება ამ მრუდს სასრული პლატოსკენ, სახელად qmax, აგრძელებს; Freundlich-ის მორგება კი პლატოს გარეშე ხარისხობრივ კანონს აღწერს. გამოქვეყნებული qmax მოდელის პარამეტრია და არა უშუალოდ აწონილი სიდიდე. თუ წერტილები პლატოს არ უახლოვდება, ბოლო რამდენიმე წერტილის მცირე ცვლილებაც qmax-ს მნიშვნელოვნად ცვლის.

ექვსი პირობა, რომლებიც ყველა რიცხვს ცვლის

დოზა. მეტი ფხვნილი მეტ აქტიურ ადგილს ნიშნავს, ამიტომ მოცილების პროცენტი ჩვეულებრივ იზრდება, ხოლო mg/g-ში გამოხატული შთანთქმა მცირდება, რადგან დაჭერილი საღებავი მეტ მასაზე ნაწილდება. 10 g/L-ზე და 0.2 g/L-ზე 99 percent მოცილების შესახებ განცხადებები მასალის ეფექტიანობით ორმოცდაათჯერ განსხვავდება. ჩაიწერეთ დოზა g/L-ში და შთანთქმა მხოლოდ თანაბარი დოზების პირობებში შეადარეთ.

საწყისი კონცენტრაცია. უფრო მაღალი C0 მეტ მამოძრავებელ ძალას ქმნის, ამიტომ qe იზრდება, ხოლო აქტიური ადგილების გაჯერებასთან ერთად მოცილების პროცენტი მცირდება. 100-დან 400 mg/L-მდე დიაპაზონზე მორგებული qmax მრუდის სხვა მონაკვეთს აღწერს, ვიდრე 5-დან 50 mg/L-მდე დიაპაზონზე მორგებული მნიშვნელობა. რანჟირებამდე მოითხოვეთ გადაფარვადი დიაპაზონები.

pH. მეთილენის ლურჯი კათიონურია, ამიტომ მიზიდვას ზედაპირის მუხტი აკონტროლებს. ნულოვანი მუხტის წერტილის ქვემოთ ზედაპირი საღებავს განიზიდავს; მის ზემოთ კი იზიდავს. კვლევები, რომლებიც მხოლოდ საწყის pH-ს ასახელებს, მნიშვნელოვან ინფორმაციას ტოვებს გამოტოვებულს, რადგან ადსორბცია წონასწორულ მნიშვნელობას ცვლის. ჩაიწერეთ ორივე, ასევე ფონური მარილები, რადგან იონური ძალა იმავე ძალებს ეკრანირებს, რომლებსაც pH არეგულირებს. ის დისციპლინა, რომელიც შთანთქმაზე დაფუძნებულ რაოდენობრივ განსაზღვრას გამხსნელისა და pH-ის მიმართ სანდოს ხდის, აქაც მოქმედებს: რიცხვი მის პირობებთან ერთად უნდა განიხილებოდეს.

დრო. 5 minutes-ის შემდეგ მიღებული მნიშვნელობა qt-ია და არა qe. სისწრაფე და მაღალი ტევადობა ცალკეული თვისებებია: ფოთლის ფხვნილებზე გამოქვეყნებულ სერიებში ერთი პროტოკოლის პირობებში წონასწორობა დაახლოებით 60 minutes-ში დგება, მეორეში კი დაახლოებით 160-ში. წონასწორული მნიშვნელობები მხოლოდ მას შემდეგ შეადარეთ, რაც კინეტიკური მრუდი გასწორდება, ხოლო ადრეულ დროში მიღებული შთანთქმა ცალკე კინეტიკურ შედეგად წარმოადგინეთ.

ტემპერატურა. წონასწორობაც და დიფუზიაც ტემპერატურაზე სისტემის სპეციფიკური გზებით რეაგირებს. ფინიკის პალმის ერთ სერიაში Langmuir-ის qmax დაახლოებით 43 mg/g-დან 30 C-ზე დაახლოებით 58 mg/g-მდე გაიზარდა 60 C-ზე — მხოლოდ ტემპერატურის გამო 35 percent ცვლილება. ერთმანეთისგან მნიშვნელოვნად განსხვავებულ ტემპერატურებზე გაზომილი ტევადობები გაფრთხილების გარეშე არასოდეს დაარანჟიროთ.

ანგარიშგების საფუძველი. Milligrams per gram მხოლოდ მაშინ არის შედარებადი, როდესაც „გრამი“ ერთსა და იმავეს ნიშნავს. მშრალი და სველი მასა ტენიანობის წილით განსხვავდება, ხოლო კომპოზიტური მარცვლები — სუფთა აქტიური ფაზისგან. მიუთითეთ მნიშვნელი და ტენიანობის ნებისმიერი კორექცია. ფილტრებისთვის დაამატეთ ტევადობა გამრავლებული ნაყარ სიმკვრივეზე; ზედაპირის ეფექტიანობისთვის კი — ტევადობა გაყოფილი BET ფართობზე, იმ შენიშვნით, რომ გაზომილი ზედაპირის ყველა ნაწილი არ არის ხელმისაწვდომი მეთილენის ლურჯის ზომის მოლეკულისთვის. ამ ეტაპზე ჩანაწერში რეაგენტის იდენტობაც უნდა იყოს შეტანილი, რის გამოც რეაგენტის სისუფთავისა და სპეციფიკაციის შემოწმება ადსორბენტის მასის მონაცემებთან ერთად ინახება.

რას გვიჩვენებს სინამდვილეში იზოთერმისა და კინეტიკის მორგება

ხშირი შეცდომაა კარგი მორგების მექანიზმის მტკიცებულებად მიჩნევა. მეთილენის ლურჯისთვის Langmuir Freundlich შედარება ამოწმებს, რომელი განტოლება აღწერს უკეთ მრუდის ფორმას შემოწმებულ დიაპაზონში. ის არ ადასტურებს მონოშრიან დაფარვას, ჰომოგენურობას ან მრავალშრიან წარმოქმნას. ჰეტეროგენულ ფოროვან მასალებსაც შეუძლიათ შეზღუდულ დიაპაზონში Langmuir-ის ფორმის მრუდების მოცემა, ხოლო Freundlich-ის უკეთესი მორგება მხოლოდ იმას ნიშნავს, რომ მონაცემები იმავე ტიპის ზრდას განაგრძობს, რომელსაც ეს განტოლება აღწერს. მექანიზმი დაადასტურეთ დამოუკიდებელი მტკიცებულებებით, როგორიცაა სპექტროსკოპია, კალორიმეტრია ან იონურ ძალაზე დამოკიდებულება.

მორგების ხარისხის შეფასების მეთოდებს მნიშვნელობა აქვს. უპირატესობა მიანიჭეთ არაწრფივ რეგრესიას, რადგან წრფივად გარდაქმნილი ფორმები შეცდომებს ამახინჯებს და შეიძლება სისტემატურად აძლევდეს უპირატესობას ერთ მოდელს. მხოლოდ R squared-ზე დაყრდნობის ნაცვლად ნარჩენებიც შეამოწმეთ. იკითხეთ, qmax გაზომილ დიაპაზონშია თუ მის მიღმა: თუ პლატო უდიდეს გაზომილ qe-ზე ბევრად მაღლა მდებარეობს, ეს პროგნოზია და მისი გაურკვევლობაც უნდა გამოქვეყნდეს, არა მხოლოდ მნიშვნელობა.

იგივე თავშეკავება საჭიროა მეთილენის ლურჯის ადსორბციის კინეტიკის შეფასებისას. ფოთლის ადსორბენტების ლიტერატურაში pseudo second order განტოლება ყველაზე ხშირად არის მოხსენიებული როგორც საუკეთესო მორგება, მაგრამ ეს ქემოსორბციას არ ამტკიცებს, ისევე როგორც pseudo first order მორგება არ ამტკიცებს ფიზისორბციას. ნაწილაკების ზომისა და არევის მიხედვით დიფუზიას შეუძლია ორივე განტოლების იმიტირება, ხოლო წრფივად გარდაქმნილი გრაფიკები ისტორიულად კონკურენციას pseudo second order-ის სასარგებლოდ ამახინჯებდა. მიუთითეთ განტოლება, სიჩქარის მუდმივა, მორგებული წონასწორობა, ინტერვალი, ნაწილაკების ზომა და არევა, ხოლო სიჩქარე და ტევადობა სამუშაო ცხრილში ცალკე სვეტებად შეინახეთ.

გამოქვეყნებული კვლევების შედარების სამუშაო ცხრილი

ეს ცხრილი თითოეული კვლევისთვის ერთხელ დააკოპირეთ. შედარება მხოლოდ იქ არის დასაბუთებული, სადაც შემოწმების სვეტები ემთხვევა.

| --- | --- | --- | --- |

| დრო | კონტაქტის დრო, კინეტიკური მრუდი, წონასწორობის კრიტერიუმი | qe შეადარეთ მხოლოდ დადასტურებულ წონასწორობაზე | მნიშვნელობა შეიძლება qt იყოს, რომელიც შეცდომით qe-დ არის მონიშნული |

| ანგარიშგების საფუძველი | მშრალი ან სველი მასა, ტენიანობის წილი, აქტიური ფაზა კომპოზიტთან შედარებით, ნაყარი სიმკვრივე, BET ფართობი | გადაიყვანეთ mg per dry gram-ში; დაამატეთ მოცულობისა და ფართობის სვეტები | მნიშვნელი უცნობია |

| მოდელის მორგება | განტოლებები, წრფივი თუ არაწრფივი მორგება, შეცდომის მეტრიკა, ნარჩენები, პარამეტრების გაურკვევლობა | უპირატესობა მიანიჭეთ არაწრფივ მორგებას; შეადარეთ პარამეტრების სრული ნაკრებები | საუკეთესო მორგების შესახებ განცხადება ვერ მოწმდება |

| ხსნარის მატრიცა | წყლის ხარისხი, იონური ძალა, კონკურენტი იონები ან ორგანული ნივთიერებები | დაამთხვიეთ მატრიცა ან შედეგს სკრინინგის დონის სტატუსი მიანიჭეთ | რეალურ წყალში მუშაობა უცნობია |

ლიტერატურიდან ორი მაგალითი აჩვენებს, როგორ მუშაობს ეს სამუშაო ცხრილი. ფინიკის პალმის სერიაში წონასწორობა დაახლოებით 160 minutes-ში დგება, ოპტიმუმი დაახლოებით pH 6.5-თანაა, qmax ტემპერატურასთან ერთად იზრდება, ხოლო Temkin და pseudo second order უპირატეს აღწერებად არის წარმოდგენილი. დამუშავებული ბამბუკის ფოთლის ფხვნილისთვის დაახლოებით 725 mg/g და თითქმის სრული მოცილებაა გამოქვეყნებული, თუმცა ეს მიღებულია 100-დან 400 mg/L-მდე საღებავის კონცენტრაციის, 0.2-დან 1.4 g/L-მდე დოზისა და წონასწორობამდე დაახლოებით 60 minutes-ის პირობებში. ორივე შედეგი შეიძლება შინაგანად მართებული იყოს, მაგრამ მათი ურთიერთრანჟირება შეუძლებელია, სანამ დოზა, კონცენტრაცია, pH, ტემპერატურა და ანგარიშგების საფუძველი არ დაემთხვევა.

სამართლიანი ფორმულირება ფიქსირებული სტრუქტურისაა: თანაბარი კონცენტრაციის დიაპაზონის, დოზის, pH-ის, ტემპერატურის, წონასწორობის დროისა და ანგარიშგების საფუძვლის პირობებში, მასალა X უფრო მაღალ შთანთქმას აჩვენებს, ვიდრე მასალა Y. ამაზე მოკლე ფორმულირება ორ ექსპერიმენტს ეხება და არა ორ მასალას.