Hilweşîna şîna metîlenê û fotokatalîz: şîrovekirina encamên rakirinê

Laboratuwarek ji bo hilweşîna fotokatalîtîk a şîna metîlenê du katalîzatoran diceribîne. Katalîzatora A di saetekê de ji sedî 95 ê rengê şîn ji holê radike. Katalîzatora B tenê ji sedî 60 radike. Tîm A wek serketî îlan dike, wê di raporekê de dinivîse û bêtir jê siparîş dike. Piştî çend mehan, analîzeke karbonê rastiyê eşkere dike: piraniya rengkera ku A rakiribû, bê guhertin li ser rûyê madeya hişk mabû, lê B di rastiyê de bêtir molekulên rengkerê perçe kiribûn. Rêzkirin berevajî bû, ji ber ku tîmê têgeheke pîvandibû û navê têgeheke din lê kiribû.

Ev xeletî gelemperî ye, ji ber ku çar têgehên cuda bi heman nîşana berçav re têkildar in: rengê şîn ê şilavê sivik dibe. Adsorpsiyon, bêrengkirin, hilweşîn û mîneralîzasyon her yek dikare vê encamê çêbike, û her yek îdiayeke cuda dike derbarê tiştê ku bi rengkerê hatiye kirin. Şîna metîlenê yek ji çend sepandinên analîtîk û hawîrdorî ye ku tê de rengker roleke diyarkirî dilîze; li vir rola wê qirêjkera model e ku tê rakirin an veguherandin. Berî ku hûn katalîzatoran bidin ber hev an rêjeyeke rakirinê biweşînin, biryar bidin ka pîvanên we bi rastî dikarin piştgirî bidin kîjan xala dawî.

Çar xalên dawî, çar îdiayên cuda

Van wek çar têgehên bi prensîbên xebatê yên cuda bifikirin. Her yek bersiva pirseke cuda dide û her yek delîlên xwe yên taybet dixwaze.

Adsorpsiyon tê wê wateyê ku molekulên rengkerê ji çareseriyê derdikevin û li ser madeya hişk dimînin, bê ku bi mecbûrî ji aliyê kîmyewî ve biguherin. Ceribandina wê di tariyê de tê kirin heta ku girtina rengkerê bi rastî bigihîje asteke sabît, û delîlên rast rengkera ku bi desorpsiyonê an ekstraksiyonê ji madeya hişk tê vegerandin jî dihewînin. Demeke sabît a 30 deqîqeyan di tariyê de ji bo her materyalê delîla hevsengiyê nîne, û nîqaşeke metodolojîk a nû nîşan dide ku derbaskirina vê gavê çawa dibe sedema rêzkirinên şaş ên katalîzatoran dema ku girtina rengkerê di tariyê de di navbera materyalan de cuda ye.

Bêrengkirin tê wateya windabûna kromofora ku di ronahiya dîtbar de tê dîtin; ev bi gelemperî li nêzî banda sereke ya hilmiştinê, li dora 664 nm, tê şopandin. Adsorpsiyon, redûksiyon, N-demetîlasyon û şikandina kromoforê hemû dikarin vê xwendinê kêm bikin, ji ber vê yekê nirxek li tenê yek dirêjahiya pêlê nikare sedemê nas bike. Li şûna yek hejmarê, spektrumên tevahî tomar bikin: şemitîna lûtkeyê ber bi aliyê şîn ve bi hilberên demetîlekirî yên malbata Azure re li hev tê. Encamek ku wek rakirina ji sedî 95 li 664 nm tê gotin divê wek bêrengkirina ji sedî 95 bê binavkirin, ne hilweşîna ji sedî 95.

Hilweşîn tê wê wateyê ku molekula bingehîn a şîna metîlenê ji aliyê kîmyewî ve hatiye veguherandin. Delîl kromatografîk in: rengkera bêguhertin di HPLC an UPLC de winda dibe, di heman demê de hilberên veguherînê xuya dibin û paşê ew jî hilweşin; bi awayê îdeal, ew bi LC-MS tên naskirin. Nîşankerên bikêr îyona molekulî ya nêzî m/z 284 ji bo molekula bingehîn û rêza demetîlasyona gav bi gav dihewînin: Azure B nêzî 270, Azure A nêzî 256, Azure C nêzî 242 û tiyonîn nêzî 228. Ji bo van, derbasbûnên LC-MS/MS yên pejirandî ji bo rengkerên di avê de hatine weşandin.

Mîneralîzasyon tê wê wateyê ku karbona organîk veguheriye hilberên dawî yên neorganîk, bi taybetî karbondîoksît û karbona neorganîk, û nîtrojen û kibrît di cureyên wek amonyûm, nîtrat û sûlfatê de bi dawî dibin. Kêmbûna karbona organîk a giştî (TOC) pîvana rojane ya karbonê ye. Kêmbûna daxwaziya kîmyewî ya oksîjenê (COD) kêmbûna bara ku dikare bê oksîdekirin nîşan dide, lê ne hevsengeya kütleya karbonê ye û bi tena serê xwe mîneralîzasyona tam îspat nake. Kromatografiya îyonan ji bo sûlfat, nîtrat û amonyûmê îdiayê xurtir dike.

Guhertoyên katalîzatoran — tîtanyaya dopkirî, kompozît, materyalên li ser piştgirên karbonî û yên bi vî rengî — tenê dema ku her guherto bi heman xalên dawî û kontrolan re tê ceribandin dikarin di yek berawirdkirinê de cih bigirin. Kompozîteke ku adsorpsiyona wê xurt e dê di ceribandina rengê de her tim bilez xuya bike; tam ji ber vê yekê lîsteya kontrolê ya jêr berî her rêzkirinê girtina rengkerê ji reaksiyonê cuda dike.

Mekanîzmaya hilweşîna fotokatalîtîk a şîna metîlenê

Malbata rêyên reaksiyonê ya pejirandî ji bo hişyarkirina rastîn a nîvgehîneran di lêkolîneke berhevkar a pir jê tê referanskirin li ser hilweşîna fotokatalîtîk a rengkeran li ser materyalên bi bingeha tîtanyayê de hatiye kurtkirin. Fotonên hilmiştî elektronên banda gehînê û valahiyên banda valansê çêdikin. Valahî ava li ser rû an hîdroksîdê ber bi radîkalên hîdroksîlê ve oksîde dikin, lê elektron oksîjena helbûyî ber bi sûperoksîdê ve redûk dikin; reaksiyonên din bi rêya radîkalên hîdroperoksîlê û peroksîda hîdrojenê radîkalên hîdroksîlê yên zêde çêdikin. Paşê ev cureyên reaktîf ên oksîjenê û valahî bi xwe êrişî rengkerê dikin.

Veguherîna şîna metîlenê bi gelemperî bi N-demetîlasyona li pey hev dest pê dike, ji Azure B, Azure A û Azure C derbas dibe û ber bi tiyonînê ve diçe, tevî oksîdasyona kromofora fenotîyazînê. Êrişên radîkalî yên din girêdanên karbon û kibrîtê û yên karbon û nîtrojenê dişikînin, xelekên aromatîk vedikin û berî mîneralîzasyona dawî pêkhateyên ji cureyê fenol û anîlînê, aldehîd û asîdên karboksîlîk ên bi giraniya molekulî ya kêm çêdikin. Lêkolîneke berhevkar a taybet li ser taybetmendiyên şîna metîlenê û rêyên fotohilweşînê vê malbatê bi hûrgulî nexşe dike. Rêjeyên şaxan ên tam bi katalîzator, pH, dabînkirina oksîjenê û tîşkdana ronahiyê ve girêdayî ne; ji ber vê yekê şemayê wek malbateke rêyên reaksiyonê binirxînin, ne wek yek rêza mecbûrî.

Du faktorên ceribandinê hêjayî balê ne, ji ber ku bê guhertina katalîzatora bixwe kînetîka xuya diguherînin. pH bara rûyê tîtanyayê û hîdroksîlasyona rû diguherîne; ev adsorpsiyona rengkera katyonîk û bi vî awayî leza ku tê dîtin diguherîne. Materyalan di heman pH de bidin ber hev û nirxên destpêkê û dawiyê tomar bikin. Xwêyên helbûyî û tampon jî bi heman awayî tevdigerin: klorîd, fosfat, karbonat û sûlfat dikarin cihên li ser rû dagir bikin û kîmyaya radîkalan ji nû ve şekil bidin; lêkolîneke taybet li ser xwêyên neorganîk di fotokatalîza tîtanyayê de vê bandorê rasterast li ser şîna metîlenê belge dike.

Xefika ronahiya dîtbar

Tîtanyaya saf hewceyê hişyarkirinê bi ronahiya nêzî UV ye, lê gelek rapor bêrengbûna şîna metîlenê di bin lampayên ku tenê ronahiya dîtbar didin de nîşan didin û vê wek çalakiya katalîzatorê di ronahiya dîtbar de dinirxînin. Mekanîzmaya muhtemel hesaskirina bi rengkerê ye: rengkera hişyarkirî elektronekê derbasî nîvgehînerê dike, û ew elektron oksîjenê redûk dike û rengê ji holê radike, bê hişyarkirina rastîn a navbera bandên madeya hişk. Xebata ceribandinê ya arşîvkirî ya Ohtani û hevkarên wî li ser pirsgirêka ronahiya dîtbar vê artefaktê nîşan da, û daxuyaniya qada sepandinê ya ISO 10678 sînorê bi zelalî diyar dike: rêbaza wê ya ceribandina şîna metîlenê tenê ji bo tîşkdana UV ye û îdiayên çalakiyê di ronahiya dîtbar de li derveyî xwe dihêle.

Ceribandina pratîk hêsan e. Ceribandinê bi madeyeke nîşanker a bêreng ku ronahiya dîtbar hilnamije dubare bikin, û girêdana leza reaksiyonê bi dirêjahiya pêlê re bi spektruma hilmiştinê ya katalîzatorê re bidin ber hev. Ger çalakî li şûna hilmiştina katalîzatorê li gor hilmiştina rengkerê be, encam piştgirî dide hesaskirinê, ne fotokatalîza xwerû ya bi ronahiya dîtbar. Dema ku hûn îdiayên firoşkaran derbarê guhertoyên katalîzatorên ronahiya dîtbar dixwînin, vê ceribandinê di bîra xwe de bihêlin.

Lîsteya kontrolê ya xalên dawî

Berî rêzkirina katalîzatoran an nivîsandina îdiayeke rakirinê vê lîsteyê bi kar bînin. Ev amûra vê rûpelê ye ku dikare dîsa bê bikaranîn: her ceribandina hilweşîna şîna metîlenê divê şertên her rêzê pêk bîne.

1. Kontrola adsorpsiyonê di tariyê de: rengker û katalîzator, bê ronahî, bi têkelkirinê heta asteke sabît a pîvandî û bi vegerandina rengkerê ji faza hişk re, ne bi texmîna demeke sabît.
2. Kontrola fotolîzê: rengker û ronahî, bê katalîzator, ji bo pîvandina bêrengbûna rasterast di bin lampaya we û bi geometriya we.
3. Kontrola analîtîk a vala: katalîzator û ronahî, bê rengker, ji bo tomarkirina sînyalên paşxaneyê di TOC, îyon û spektruman de.
4. Mercên reaksiyonê yên sabît: spektruma lampayê, herikîna fotonan, germahî, têkelkirin, oksîjena helbûyî, geometriya reaktorê, çirraniya destpêkê ya rengkerê, bara katalîzatorê, pH û matrîs di navbera guhertoyan de sabît bêne hiştin.
5. Veqetandina madeya hişk berî spektroskopiyê: parzûn bikin an santrîfûj bikin da ku belavbûna ronahiyê wek hilmiştin neyê xwendin.
6. Spektrumên tevahî, ne tenê yek dirêjahiya pêlê: skanê rapor bikin da ku şemitînên lûtkeyan û bandên nû dîtbar bimînin.
7. Piştrastkirina kromatografîk ji bo her îdiaya hilweşînê: windabûna molekula bingehîn a bêguhertin, bi hilberên şopandî re.
8. Hesabkirina karbonê ji bo her îdiaya mîneralîzasyonê: TOC bi kontrolên vala re, û kontrolkirina wê yekê ku karbona wek windabûyî hatiye hesibandin tenê neçûbe ser madeya hişk.
9. Kontrola derbasbûna madeyan ji hişkê ber bi şilavê ve: madeya hişk bi tevahî rakirin (ceribandineke bi şêwaza parzûna germ), tîşkan bidin şilava parzûnkirî û metalên helbûyî analîz bikin; berdewamkirina reaksiyonê nîşan dide ku beşdariyeke homojen heye.
10. Binavkirina rast: encama 664 nm wek bêrengkirin, encama kromatografîk wek hilweşîn û encama TOC wek mîneralîzasyon bi nav bikin.

Lêkolîneke nû ya fotoreaktora UV-LED ku ceribandinên adsorpsiyonê, veqetandina katalîzatorê, UV-vis û TOC bi hev re bi kar tîne nîşan dide ku ev ast çawa di yek beşa rêbazan de li hev tên.

Nimûneyeke hesabkirî ya hevsengeya kütleyê

Bifikirin ku ceribandineke 100 mL bi 10 mg/L şîna metîlenê dest pê dike, lewma reaktor 1.0 mg rengker dihewîne. Piştî gihîştina hevsengiyê di tariyê de, xwendina çareseriyê 8.0 mg/L e; yanî 0.2 mg li ser madeya hişk e û 0.8 mg helbûyî dimîne. Piştî saetekê tîşkdana ronahiyê, analîza çareseriya parzûnkirî bi kromatografiyê 2.0 mg/L rengkera bêguhertin dide (0.2 mg di çareseriyê de), desorpsiyon 0.1 mg rengkera bêguhertin ji madeya hişk vedigerîne, û TOC nîşan dide ku ji sedî 40 ê karbona organîk a destpêkê wek karbona neorganîk ji pergala hevbeş a çareserî û madeya hişk derketiye.

Hevsengeya li ser bingeha karbonê wiha ye: karbona destpêkê wekhev e bi rengkera bingehîn a di çareseriyê de, bi rengkera bingehîn a adsorbekirî, bi navberên organîk û bi karbona mîneralîzekirî re. Li vir ji sedî 20 ê kütleya destpêkê ya rengkerê wek molekula bingehîn a bêguhertin dimîne (0.2 mg di her du fazan de), ji sedî 40 mîneralîze bûye, û ji sedî 40 ê mayî hilberên veguherîna organîk in (navberên di çareseriyê de an li ser madeya hişk, ku bi lûtkeyên hilberan hatine piştrastkirin). Rapora rast hilweşîna ji sedî 80 ê rengkera bingehîn bi mîneralîzasyona ji sedî 40 re ye, ne ji sedî 95 ê tiştekî. Bala xwe bidin xefikê: ger TOC tenê di şilava jorîn a parzûnkirî de hatibû pîvandin, madeyên organîk ên adsorbekirî dê wek ji holê rabûyî hatibûna hesibandin û rêjeya mîneralîzasyonê zêde nîşan dabûya. Li cihê ku gengaz e, karbona tevahiya têkelêya şilav û hişk bipîvin an beşa girêdayî bi madeya hişk re bi awayekî eşkere dîsa li hesabê zêde bikin.

Rêgeza raporkirinê

Xala dawî ya herî lawaz a ku delîlên we piştgirî didin diyar bikin, paşê tenê dema ku her asta pîvanê tê piştrastkirin îdiayên xurtir zêde bikin. Xebata hilweşîna şîna metîlenê bi heman awayê rêbazên din ên bi bingeha rengkeran baweriyê bi dest dixe: bi lihevkirina encamê û taybetmendiya ku rêbaz bi rastî dipîve. Rêbereke pêvek ji bo xwendina îdiayên lêkolînên bi bingeha rengkeran heman disîplînê li ser sêwirandina lêkolînê jî disepîne, û protokoleke pratîk ji bo kontrolkirina mercên ceribandinê adetên kalîbrasyonê vedigire ku rasterast dikarin di xebata fotoreaktorê de bên bikaranîn.