Метилен көгүнүн адсорбциялык сыноосу: активдештирилген көмүрдүн сыйымдуулугу

Лаборатория активдештирилген көмүрдүн эки түрүн салыштырат. Биринин техникалык маалымат барагында метилен көгү боюнча көрсөткүчү экинчисинен үч эсе жогору экени жазылган. Лаборатория көрсөткүчү чоңун сатып алып, ошого жараша өлчөмүн белгилейт, бирок боёк күтүлгөндөн эрте өтүп кете баштайт. Эч нерсе бурмаланган эмес. Эки көрсөткүч ар башка сыноолордон алынган, ал эми сатып алуучу аларды бир эле чоңдук катары кабыл алган.

Бул макала ошол чечмелөө катасын оңдойт. Анда сыноо эмнени өлчөй турганы түшүндүрүлүп, чыныгы сандар менен эсептөө эки жолу жүргүзүлөт жана натыйжага таасир этүүчү бардык өзгөрмөлөр аталат. Ар башка адсорбенттерди өз ара салыштырып, иреттөө маселеси өзүнчө каралат; бул жерде сөз материалдардын бир классы жана бир ыкма жөнүндө болот.

Эмне үчүн зонд катары ушул боёк колдонулат

Метилен көгү — катиондук, жалпак түзүлүштүү ароматтык боёк. Сууда ал оң заряддуу ион түрүндө болот жана анын молекуласынын өлчөмдөрү болжол менен 1.43 × 0.61 × 0.40 nm. Негизги мааниси дал ушул өлчөмүндө. Дагы бир классикалык зонд болгон йод кыйла кичине жана тар микрокөзөнөктөргө кире алат, ошондуктан йод саны микрокөзөнөктүүлүктүн өнүгүшүн чагылдырат. Метилен көгүнө кененирээк кире бериштер керек: ал болжол менен 0.75 nmден чоң көзөнөктөргө кирет, мында 1.4төн 3 nmге чейинки көзөнөктөр олуттуу салым кошот. Бул өлчөмдөргө ири микрокөзөнөктөр да, майда мезокөзөнөктөр да кирет, ошондуктан сыноону жалаң мезокөзөнөктөрдүн зонду деп атоо ашыкча жөнөкөйлөтүү болот. Бул эки зонд бири-бирин толуктайт. Йод майда көзөнөктүүлүк канчалык көп экенин көрсөтөт. Метилен көгү ири органикалык молекуланы өткөрө алган көзөнөк мейкиндиги канчалык көп экенин көрсөтөт; боёкту алып салууда дал ушул суроо маанилүү. Бул көрсөткүчтөрдүн эч бири өз алдынча башка молекулалардын адсорбциясын алдын ала аныктай албайт.

Заряд өлчөм сыяктуу эле маанилүү. Боёк катиондук болгондуктан, терс заряддуу беттерге тартылып, оң заряддуу беттерден түртүлөт. Ошондуктан pH жөн гана кошумча эскертүү эмес, негизги өзгөрмө болуп саналат; муну төмөндөгү тажрыйбалар көрсөтөт.

Партиялык сыноо кандай жүргүзүлөт

Лабораториядагы стандарттуу ыкма — жабык партияда тең салмакка жеткирүү. Көмүрдү сыноого даярдап, бөлүкчөлөрүнүн өлчөмү көзөмөлдөнгөн фракцияны алуу үчүн элеп, белгилүү m массасын өлчөңүз. Баштапкы концентрациясы C0 болгон боёк эритмесинен белгилүү V көлөмүн кошуңуз. pH менен температураны туруктуу кармап, алдын ала текшерилген убакыт бою аралаштырыңыз, андан соң көмүрдү чыпкалоо же центрифугалоо аркылуу бөлүп алыңыз. Калган Ce концентрациясын ошол эле аспапта даярдалган калибрлөө катары менен салыштырып, UV-Vis оптикалык тыгыздыгы боюнча аныктаңыз; адатта өлчөө 660–665 nm чамасында, көбүнчө 664 nmде жүргүзүлөт. Жарыяланган бир методикада 0.050 g көмүргө 50 mL эритме колдонулуп, концентрациялар 10–1000 mg/L аралыгында болгон; сыноо 25 Cде 24 саат жүргүзүлүп, көрсөткүч 660 nmде өлчөнгөн. Бирдиктүү универсалдуу протокол жок, ошондуктан көмүрдүн өлчөмү, концентрациялардын диапазону, убакыт, температура, pH жана толкун узундугу көрсөтүлбөгөн сан натыйжа болуп эсептелбейт. Ал — жөн гана имиш.

Сандык аныктоонун өзүнө да оптикалык тыгыздыкка негизделген боёк өлчөөлөрүндө баяндалгандай кылдат мамиле керек: өз аспабыңызда калибрлеңиз, чоку 664 nmде деп болжобостон, аны текшериңиз жана концентрациясы жогору үстүнкү тунук суюктуктарды сызыктуу диапазонго чейин суюлтуңуз.

Эсептөөнүн мисалы

Сыйымдуулук масса балансынан аныкталат. Эритмеден жоголгон боёк көмүрдө кармалат:

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

мында qe — тең салмактагы адсорбцияланган өлчөм, mg/g; C0 жана Ce — баштапкы жана тең салмактагы концентрациялар, mg/L; V — литр менен берилген көлөм; m — грамм менен берилген көмүрдүн массасы.

Биринчи чекит. Баштапкы шарттар: C0 = 100 mg/L, V = 0.100 L, m = 0.0200 g. Тең салмакка жеткенден кийин аспап Ce = 35 mg/L деп көрсөтөт. Анда qe = (100 minus 35) times 0.100 divided by 0.0200 = 65 times 0.100 divided by 0.0200 = 325 mg/g. Алып салынган үлүш (100 minus 35) divided by 100 times 100 = 65 пайыз.

Экинчи чекит: көмүрдүн өлчөмү жана эритменин көлөмү ошол эле, бирок боёктун жүктөмү жогору. C0 = 200 mg/L менен баштап, Ce = 90 mg/L деп өлчөйбүз. Анда qe = (200 minus 90) times 0.100 divided by 0.0200 = 550 mg/g, ал эми алып салынган үлүш (200 minus 90) divided by 200 times 100 = 55 пайыз.

Бул эки жуп, (Ce = 35, qe = 325) жана (Ce = 90, qe = 550), изотерманын эки чекити болуп саналат. Карама-каршы өзгөрүүгө көңүл буруңуз: сыйымдуулук 325тен 550 mg/gге өскөндө, алып салынган үлүш 65тен 55 пайызга төмөндөдү. Концентрация өскөн сайын сыйымдуулук менен алып салуу пайызы карама-каршы багытта өзгөрөт. Ар башка көмүр өлчөмдөрүндө же концентрацияларда өлчөнгөн алып салуу пайызы боюнча көмүрлөрдү иреттеген адам материалды эмес, тажрыйбанын шарттарын иреттеп жатат.

Көзөмөлдөө керек болгон өзгөрмөлөр

Төмөндө келтирилген ар бир параметр көрсөткүчтү өзгөртөт. Ар бирин туруктуу кармаңыз же жазып коюңуз.

Көмүрдүн өлчөмү. Көмүр көбөйгөндө адсорбциялык орундар да көбөйөт, ошондуктан алып салуу пайызы өсөт, ал эми бир граммга туура келген адсорбцияланган өлчөм адатта төмөндөйт: кармалган боёк көбүрөөк массага бөлүштүрүлөт. Көмүрдүн өлчөмүн g/L менен, аны эсептөөгө негиз болгон V жана m менен бирге көрсөтүңүз.

Баштапкы концентрация. Жогору C0 чоңураак кыймылдаткыч күчтү камсыз кылат, ошондуктан qe өсөт, ал эми адсорбциялык орундар каныккан сайын алып салуу пайызы төмөндөйт. 5–50 mg/L жана 100–400 mg/L аралыктарына ылайыкташтырылган изотермалар ийри сызыктын ар башка бөлүктөрүн сүрөттөйт. Моделден алынган сыйымдуулуктарды диапазондор дал келген бөлүктөрдө гана салыштырыңыз.

pH. Бул катиондук боёктун адсорбциясы адатта pH жогорулаган сайын өсөт, айрыкча көмүрдүн нөлдүк заряд чекитинен жогору болгондо, беттин жыйынтык заряды терс болуп калат. Төмөн pH беттеги орундарды протондоштуруп, суутек иондорунун ошол орундар үчүн атаандашуусуна шарт түзөт. Таасирдин көлөмү көмүрдүн түрүнө жараша болот: активдештирилген көмүрдү изилдеген бир эмгекте көрсөткүч pH 2де болжол менен 51 mg/gден pH 8де болжол менен 92 mg/gге өскөн. Баштапкы жана тең салмактагы pHты, ошондой эле фондук туздарды жазыңыз, анткени иондук күч pH өзгөрткөн ошол эле күчтөрдү экрандайт.

Контакт убактысы. Адсорбцияланган өлчөм алгач кескин өсүп, андан кийин туруктуу деңгээлге чыгат. Платодогу гана маани qe болуп саналат; ага чейинки бардык маанилер qt болот. Жарыяланган эмгектерде ар башка көмүрлөрдүн тең салмакка жетүү убактысы бир нече мүнөттөн көп саатка чейин созулат; айрым стандарттуу методикаларда контакт 24 саатка созулат. Эки саат жетиштүү деп болжобостон, өз көмүрүңүздүн платосун кинетикалык өлчөөлөр аркылуу аныктаңыз.

Температура. Өзгөрүүнүн универсалдуу багыты жок. Эндотермиялык системаларда температура жогорулаганда адсорбция өсөт, экзотермиялык системаларда төмөндөйт, ошондуктан болжобостон өлчөңүз.

Бөлүкчөлөрдүн өлчөмү жана аралаштыруу. Майда бөлүкчөлөр диффузия жолдорун кыскартып, адатта адсорбцияны тездетет; күчтүүрөөк аралаштыруу бөлүкчөлөрдүн айланасындагы кыймылсыз катмарды жукартып, ошондой эле таасир берет. Экөө тең тең салмактын өзүн эмес, ага жетүү ылдамдыгын өзгөртөт. Аралаштыруу ылдамдыгына жараша өзгөргөн сыйымдуулук тең салмакка жетпегендиктин белгиси.

Реагенттин так түрү да протоколго кириши керек. Ошондуктан көмүрдүн массасы менен катар боёктун тазалыгын жана спецификациясын текшерүү да маанилүү: метилен көгү молярдык массасы болжол менен 319.9 g/mol болгон суусуз туз же 373.90 g/mol болгон тригидрат түрүндө сатылышы мүмкүн, ал эми коммерциялык продукттун сандык аныкталган курамы көп учурда 100 пайыздан төмөн болот. Туура эмес формулалык масса менен эсептелген номиналдык C0 ар бир qe маанисин системалуу түрдө ката кылат.

Ылайыкташтырылган ийри сызыктар эмнени көрсөтөт жана эмнени көрсөтпөйт

Ленгмюр модели qe маанисин qmax times KL times Ce divided by (1 plus KL times Ce) түрүндө берет. Ал моделге ылайык алынган каныгуу сыйымдуулугун qmax, mg/g менен, жана жакындык константасын KL, L/mg менен берет. Жакшы дал келүү ушул каныгуу ийри сызыгы өлчөнгөн концентрациялардын диапазонун жакшы сүрөттөөрүн билдирет. Бул көмүрдүн адсорбциялык орундары бирдей экенин, бет сөзсүз бир катмар менен гана жабыларын же кандайдыр бир белгилүү молекулалык механизм иштээрин далилдебейт. Гетерогендүү көзөнөктүү көмүрлөр чектелген диапазондордо көп учурда Ленгмюр формасындагы ийри сызыктарды берет.

Фрейндлих модели qe маанисин KF times Ce to the power 1/n түрүндө берет. KF эмпирикалык сыйымдуулуктун масштабын, ал эми 1/n ийриликтин даражасын аныктайт. Бул түрдүн чектүү платосу жок болгондуктан, аны экстраполяциялап, qmax ойлоп табууга эч качан болбойт. Фрейндлих моделинин жакшыраак дал келиши анын өсүү формасы өлчөнгөн аралыкка жакшыраак шайкеш келерин гана билдирет. Кайсы теңдеме колдонулбасын, баштапкы түргө сызыктуу эмес регрессияны колдонуу артык, анткени сызыктандыруучу өзгөртүүлөр каталарды бурмалайт. Ошондой эле R квадратка гана ишенбестен, калдыктарды текшериңиз.

914 тажрыйба эмнени үйрөтөт

75 макаладагы 914 тажрыйбанын машиналык үйрөнүү аркылуу талдоосу чополордо, күлдөрдө жана щелоч менен активдештирилген материалдарда метилен көгүнүн адсорбциясын градиенттик бустингге негизделген регрессиялык дарактар менен моделдеген. Негизги натыйжа: билдирилген адсорбцияланган өлчөмдү алдын ала аныктоочу эң күчтүү көрсөткүч боёктун баштапкы концентрациясы болгон. pH, баштапкы чийки заттын түрү жана модификациянын түрү да маанилүү болгон; концентрация дээрлик бардык башка өзгөрмөлөр, анын ичинде адсорбенттин өлчөмү, бетинин аянты, контакт убактысы жана аралаштыруу менен күчтүү өз ара таасир көрсөткөн.

Бул тыянакты пайдалуу колдонуу үчүн эки чектөөнү эске алуу керек. Биринчиден, ал изилдөө активдештирилген көмүрдү камтыган эмес, ошондуктан көмүр үчүн өзгөрмөлөрдүн маанилүүлүгүн иреттей албайт. Экинчиден, анын сабагы методологиялык мүнөздө жана башка системаларга да түз колдонулат: баштапкы концентрация эч качан жөн гана тоскоол өзгөрмө эмес. Иштөө шарттары материалдын касиеттери менен ушунчалык күчтүү өз ара таасир эткендиктен, шарттары көрсөтүлбөгөн эч бир жалпыланган mg/g рейтинги маанисин сактай албайт. Эсептөө мисалы да негизги принциптерден ушул эле тыянакка келет.

Кайталабоо керек болгон эки ката

Биринчиден, алып салуу пайызын сыйымдуулук катары көрсөтүүнү токтотуңуз. Көмүрдүн чоң өлчөмү суюлтулган эритменин 99 пайызын түссүздөндүрүп, ошол эле учурда бир граммга аз гана миллиграмм боёк кармашы мүмкүн. Ал эми концентрациясы жогору эритмеде көмүрдүн аз өлчөмү бир граммга жүздөгөн миллиграмм боёк кармап, бирок көзгө көрүнгөн түстү калтырышы мүмкүн. Дайыма C0, Ce, V, m, көмүрдүн g/L менен берилген өлчөмүн, алып салуу пайызын жана qeни бирге көрсөтүңүз, болбосо көрсөткүчтү кайра колдонууга болбойт.

Экинчиден, кинетикалык платону көрсөтпөстөн белгиленген убакыттагы маанини qe деп атоону жана боёктун концентрациясын этикеткадагы маалыматка таянып алынган масса боюнча стандартташтырууну токтотуңуз. Убакыт боюнча өлчөөлөрдүн катары менен тең салмакты текшериңиз; гидрат жана сандык курам маселесин эске алып, өлчөнгөн масса менен этикеткага ишенбестен, концентрацияны спектрофотометриялык жол менен текшериңиз. Ошондой эле pHты, температураны, бөлүкчөлөрдүн өлчөмүн жана аралаштырууну көзөмөлдөңүз. Ушул маалыматтар кошо берилген метилен көгү боюнча сыйымдуулук — башка шарттарда да колдонууга боло турган өлчөө. Аларсыз ал — жөн гана айрым бир окуянын баяны.