Метилен көгінің адсорбциялық сынағы: белсендірілген көмірдің сыйымдылығы

Зертхана белсендірілген көмірдің екі түрін салыстырады. Бірінің техникалық сипаттамасында метилен көгі бойынша көрсеткіш екіншісінен үш есе жоғары деп берілген. Зертхана көрсеткіші жоғарысын сатып алып, соған сүйеніп көмір мөлшерін белгілейді, бірақ бояғыш күткеннен ерте өтіп кетеді. Ештеңе бұрмаланбаған. Екі сан әртүрлі сынақтан алынған, ал сатып алушы оларды бірдей шама деп түсінген.

Бұл мақала сол түсіндіру қатесін түзетеді. Мұнда сынақтың нені өлшейтіні түсіндіріліп, нақты сандармен есептеу екі рет жүргізіледі және нәтижеге әсер ететін барлық айнымалы аталады. Әртүрлі адсорбенттерді өзара салыстырып, реттеу мәселесі бөлек қарастырылады; мұндағы тақырып — материалдардың бір класы және бір әдіс.

Неліктен зонд ретінде осы бояғыш қолданылады

Метилен көгі — катиондық, жазық құрылымды ароматты бояғыш. Суда ол оң зарядталған ион түрінде болады, ал молекуласының өлшемдері шамамен 1.43 × 0.61 × 0.40 nm. Бұл өлшемдердің маңызы зор. Басқа классикалық зонд — йод — әлдеқайда ұсақ және тар микрокеуектерге ене алады, сондықтан йод саны микрокеуектіліктің даму деңгейін көрсетеді. Метилен көгіне кеңірек кіреберістер қажет: ол шамамен 0.75 nm-ден үлкен кеуектерге енеді, ал өлшемі шамамен 1.4–3 nm болатын кеуектердің үлесі маңызды. Бұл өлшемдер ірі микрокеуектер мен ұсақ мезокеуектерді қамтиды, сондықтан сынақты тек мезокеуектерді зерттейтін зонд деп атау — тым қарапайым түсіндіру. Екі зонд бірін-бірі толықтырады. Йод ұсақ кеуектіліктің қаншалықты көп екенін көрсетеді. Метилен көгі ірі органикалық молекула кіре алатын кеуек кеңістігінің мөлшерін көрсетеді, ал бояғышты кетіру үшін маңыздысы — осы. Екі көрсеткіштің ешқайсысы өздігінен басқа молекулалардың адсорбциясын болжай алмайды.

Зарядтың маңызы өлшемнен кем емес. Бояғыш катиондық болғандықтан, теріс зарядталған беттерге тартылады және оң зарядталған беттерден тебіледі. Сондықтан pH қосалқы ескерту емес, негізгі айнымалы болып саналады; төмендегі тәжірибелер осыны көрсетеді.

Мерзімді сынақ қалай жүргізіледі

Зертханалық сынақтың стандартты түрі — мерзімді режимде тепе-теңдікке келтіру. Көмірді сынаққа дайындаңыз, бөлшектерінің өлшемі бақыланатын фракцияны алу үшін електен өткізіңіз және белгілі m массасын өлшеңіз. Бастапқы концентрациясы C0 болатын бояғыш ерітіндісінің белгілі V көлемін қосыңыз. pH пен температураны тұрақты ұстап, алдын ала тексерілген уақыт бойы араластырыңыз, содан кейін көмірді сүзу немесе центрифугалау арқылы бөліп алыңыз. Қалған Ce концентрациясын сол аспапта дайындалған калибрлеу қатарына қатысты UV-Vis жұтылуы бойынша анықтаңыз; өлшеу әдетте 660–665 nm маңында, көбіне 664 nm-де жүргізіледі. Жарияланған бір әдістемеде 0.050 g көмір мен 50 mL ерітінді пайдаланылған; концентрациялар 10–1000 mg/L аралығында болған, сынақ 25 C температурада 24 сағат жүргізілген, ал өлшеу 660 nm-де жасалған. Бірыңғай әмбебап хаттама жоқ, сондықтан көмір мөлшері, концентрация аралығы, уақыт, температура, pH және толқын ұзындығы көрсетілмеген сан нәтиже болып саналмайды. Ол — жай қауесет.

Сандық анықтаудың өзі де бояғышты жарық жұтылуына негізделіп өлшеуде сипатталғандай қатаң тәртіпті талап етеді: өз аспабыңызда калибрлеңіз, максимумды 664 nm деп болжай салмай, оның орнын тексеріңіз және концентрациясы жоғары тұнба үстіндегі ерітінділерді сызықтық диапазонға дейін сұйылтыңыз.

Есептеу мысалы

Сыйымдылық масса балансынан анықталады. Ерітіндіден жоғалған бояғыш көмірде болады:

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

мұндағы qe — тепе-теңдік кезіндегі адсорбцияланған мөлшер, mg/g; C0 және Ce — бастапқы және тепе-теңдік концентрациялары, mg/L; V — литрмен берілген көлем; m — граммен берілген көмір массасы.

Бірінші нүкте. Бастапқы мәндер: C0 = 100 mg/L, V = 0.100 L, m = 0.0200 g. Тепе-теңдік орнағаннан кейін аспап Ce = 35 mg/L мәнін көрсетеді. Сонда qe = (100 minus 35) times 0.100 divided by 0.0200 = 65 times 0.100 divided by 0.0200 = 325 mg/g. Кетіру пайызы: (100 minus 35) divided by 100 times 100 = 65 percent.

Екінші нүкте: көмір мөлшері мен көлемі бірдей, бірақ бояғыш жүктемесі жоғары. Бастапқы концентрация C0 = 200 mg/L, ал өлшенген мән Ce = 90 mg/L. Сонда qe = (200 minus 90) times 0.100 divided by 0.0200 = 550 mg/g, ал кетіру үлесі (200 minus 90) divided by 200 times 100 = 55 percent.

Осы екі жұп, (Ce = 35, qe = 325) және (Ce = 90, qe = 550), изотерманың екі нүктесі болып табылады. Өзгерістердің қарама-қарсы бағытына назар аударыңыз: сыйымдылық 325-тен 550 mg/g-ге өскенде, кетіру үлесі 65-тен 55 пайызға төмендеді. Концентрация артқан сайын сыйымдылық пен кетіру пайызы қарама-қарсы бағытта өзгереді. Көмір түрлерін әртүрлі көмір мөлшерінде немесе концентрацияда өлшенген кетіру пайызы бойынша реттейтін адам материалды емес, тәжірибені бағалап отыр.

Бақылау қажет айнымалылар

Төмендегі әр тармақ сандық нәтижені өзгертеді. Әрқайсысын тұрақты ұстаңыз немесе тіркеңіз.

Көмір мөлшері. Көмір көбірек болса, адсорбциялық орындар да көбейеді, сондықтан кетіру пайызы артады, ал бір грамға шаққандағы адсорбцияланған мөлшер әдетте азаяды: ұсталған бояғыш үлкенірек массаға таралады. Көмір мөлшерін g/L бірлігімен, оны есептеуге негіз болған V және m мәндерімен бірге көрсетіңіз.

Бастапқы концентрация. C0 жоғары болғанда қозғаушы күш күшейеді, сондықтан qe артады, ал адсорбциялық орындар қаныққан сайын кетіру пайызы төмендейді. 5–50 mg/L және 100–400 mg/L аралықтарында сәйкестендірілген изотермалар қисықтың әртүрлі бөліктерін сипаттайды. Модельден алынған сыйымдылықтарды тек өзара қабысатын аралықтарда салыстырыңыз.

pH. Бұл катиондық бояғыштың адсорбциясы әдетте pH жоғарылаған сайын артады, әсіресе көмірдің нөлдік заряд нүктесінен жоғары, бетінің қорытқы заряды теріс болғанда. Төмен pH беттік орындарды протондап, сутек иондарының сол орындар үшін бәсекелесуіне мүмкіндік береді. Әсердің шамасы көмірдің түріне байланысты: белсендірілген көмірді зерттеген бір жұмыста көрсеткіш pH 2 кезіндегі шамамен 51 mg/g-ден pH 8 кезіндегі шамамен 92 mg/g-ге дейін артқан. Бастапқы және тепе-теңдік pH мәндерін, сондай-ақ фондық тұздарды тіркеңіз, өйткені иондық күш pH реттейтін күштердің әсерін экрандайды.

Жанасу уақыты. Адсорбцияланған мөлшер алдымен күрт өседі, содан кейін тұрақтанады. Тек платодағы мән qe болып саналады; одан бұрынғы кез келген мән — qt. Әртүрлі көмір түрлері үшін жарияланған тепе-теңдікке келу уақыттары бірнеше минуттан көптеген сағатқа дейін созылады, ал кейбір стандартты әдістемелерде жанасу уақыты 24 сағатты құрайды. Екі сағат жеткілікті деп болжай салмай, өз көміріңіз үшін платоны кинетикалық зерттеу арқылы анықтаңыз.

Температура. Өзгерістің әмбебап бағыты жоқ. Эндотермиялық жүйелерде температура артқанда адсорбцияланған мөлшер өседі, ал экзотермиялық жүйелерде төмендейді, сондықтан болжаудың орнына өлшеңіз.

Бөлшек өлшемі және араластыру. Ұсақ бөлшектер диффузия жолын қысқартып, әдетте адсорбцияны жылдамдатады; қарқындырақ араластыру бөлшектердің айналасындағы қозғалыссыз қабықшаны жұқартып, дәл сондай әсер береді. Екеуі де тепе-теңдіктің өзін емес, оған жету жылдамдығын өзгертеді. Егер сыйымдылық араластыру жылдамдығына тәуелді болса, бұл тепе-теңдікке мүлде жетпегеніңізді ескертеді.

Реагенттің нақты түрі де жазбада көрсетілуі керек. Сондықтан көмір массасымен қатар бояғыштың тазалығы мен спецификациясын тексеру деректері де қажет: метилен көгі молярлық массасы шамамен 319.9 g/mol болатын сусыз тұз немесе 373.90 g/mol болатын тригидрат түрінде сатылуы мүмкін, ал коммерциялық өнімдегі анықталған негізгі зат мөлшері көбіне 100 пайыздан төмен болады. Қате формулалық масса бойынша есептелген номиналды C0 барлық qe мәндерін жүйелі түрде қате етеді.

Сәйкестендірілген қисықтар нені көрсетеді және нені көрсетпейді

Ленгмюр моделінде qe өрнегі qmax times KL times Ce divided by (1 plus KL times Ce) түрінде жазылады. Ол mg/g бірлігімен берілетін модельдік қанығу сыйымдылығы qmax пен L/mg бірлігімен берілетін туыстық тұрақтысы KL мәндерін береді. Жақсы сәйкестік осы нақты қанығу қисығы өлшенген концентрация аралығын жақсы сипаттайтынын білдіреді. Бұл көмірдегі адсорбциялық орындардың барлығы біркелкі екенін, жабылудың қатаң түрде бір қабатты екенін немесе қандай да бір нақты молекулалық механизм әрекет ететінін дәлелдемейді. Біртекті емес кеуекті көмірлер шектеулі аралықтарда Ленгмюр пішіндес қисықтарды жиі береді.

Фрейндлих моделінде qe өрнегі KF times Ce to the power 1/n түрінде жазылады. KF эмпирикалық сыйымдылық шкаласын, ал 1/n қисықтың иілуін анықтайды. Бұл модельде шекті плато жоқ болғандықтан, оны экстраполяциялап, ойдан qmax алуға ешқашан болмайды. Фрейндлих моделінің жақсырақ сәйкестігі оның өсетін қисығы өлшенген аралыққа жақсырақ сәйкес келетінін ғана білдіреді. Қай теңдеу қолданылса да, бастапқы түріне сызықтық емес регрессия қолданған жөн, өйткені сызықтандыру түрлендірулері қателерді бұрмалайды. Сондай-ақ тек R квадратына сенбей, қалдықтарды тексеріңіз.

914 тәжірибе нені үйретеді

75 мақаладағы 914 тәжірибені машиналық оқыту арқылы талдау градиенттік бустингке негізделген регрессиялық ағаштар көмегімен саздарда, күлдерде және сілтімен белсендірілген материалдарда метилен көгінің адсорбциясын модельдеген. Оның негізгі нәтижесі: жарияланған адсорбцияланған мөлшерді болжауда бояғыштың бастапқы концентрациясы басым фактор болған; pH, бастапқы шикізаттың түрі және модификация түрі де маңызды болған. Концентрация мен көмір мөлшері, бет ауданы, жанасу уақыты және араластыруды қоса алғанда, басқа айнымалылардың барлығына жуығы арасында күшті өзара әрекеттесу байқалған.

Бұл тұжырымды дұрыс пайдалану үшін екі ескерту қажет. Біріншіден, зерттеу белсендірілген көмірді қамтымаған, сондықтан оның негізінде көмірге әсер ететін айнымалыларды маңыздылығы бойынша реттеуге болмайды. Екіншіден, оның сабағы әдістемелік сипатта және басқа жағдайларға тікелей қолданылады: бастапқы концентрацияны ешқашан жай қосалқы айнымалы деп қарастыруға болмайды, ал жұмыс жағдайлары материал қасиеттерімен тым күшті әрекеттеседі. Сондықтан тек mg/g көрсеткішіне сүйенген ешбір рейтинг оны алу жағдайлары көрсетілмесе, мәнін сақтай алмайды. Есептеу мысалы да негізгі қағидалардан дәл осы қорытындыға әкеледі.

Жіберуді тоқтату керек екі қате

Біріншіден, кетіру пайызын сыйымдылық ретінде көрсетуді тоқтатыңыз. Көмірдің көп мөлшері сұйылтылған ерітіндінің түсін 99 пайызға кетіріп, әр грамына аз ғана миллиграмм бояғыш ұстай алады; ал концентрациясы жоғары ерітіндідегі көмірдің аз мөлшері бір грамына жүздеген миллиграмм ұстап, сонымен бірге ерітіндіде көзге көрінетін түс қалдыруы мүмкін. C0, Ce, V, m, g/L бірлігімен берілген көмір мөлшері, кетіру пайызы және qe мәндерін әрдайым бірге көрсетіңіз, әйтпесе санды қайта пайдалануға болмайды.

Екіншіден, кинетикалық платоны көрсетпей, белгіленген уақыттағы мәнді qe деп атауды және бояғыш концентрациясын заттаңбадағы массаға ғана сүйеніп стандарттауды тоқтатыңыз. Тепе-теңдікті уақыттық қатар арқылы тексеріңіз; гидрат пен негізгі зат мөлшерін анықтау мәселесін ескеріп, өлшенген масса мен заттаңбаға сенудің орнына концентрацияны спектрофотометриялық жолмен растаңыз; pH, температура, бөлшек өлшемі және араластыруды бақылаңыз. Осы деректер қоса берілген метилен көгі бойынша сыйымдылық — басқа жағдайларда қолдануға болатын өлшем. Оларсыз ол — жекелеген бақылау ғана.