Тест за адсорпција на метиленско сино: адсорпциска способност на активен јаглен

Лабораторија споредува два активни јаглена. Во едниот технички лист е наведена вредност за метиленско сино трипати поголема од другата. Лабораторијата го купува јагленот со повисоката вредност, ја одредува дозата според неа, а бојата предвреме пробива низ јагленот. Ништо не било фалсификувано. Двете вредности потекнувале од различни тестови, а купувачот ги протолкувал како иста величина.

Оваа статија ја поправа таа грешка во толкувањето. Објаснува што мери тестот, ја изведува пресметката двапати со конкретни бројки и ја наведува секоја променлива што влијае врз резултатот. Поврзаниот проблем на рангирање различни адсорбенти меѓусебно се разгледува одделно; тука темата е една класа материјали и еден метод.

Зошто оваа боја служи како сонда

Метиленското сино е катјонска, планарна ароматична боја. Во вода постои како позитивно наелектризиран јон, а неговите молекулски димензии се приближно 1.43 × 0.61 × 0.40 nm. Токму таа големина е клучна. Јодот, другата класична сонда, е многу помал и навлегува во тесни микропори, па јодниот број ја одразува развиеноста на микропорите. На метиленското сино му требаат пошироки отвори: навлегува во пори поголеми од приближно 0.75 nm, со значителен придонес од порите со големина околу 1.4 до 3 nm. Овие димензии опфаќаат поголеми микропори и мали мезопори, па опишувањето на тестот како сонда исклучиво за мезопори е претерано поедноставување. Двете сонди се надополнуваат. Јодот покажува колкава е ситната порозност. Метиленското сино покажува колкав порен простор може да прими голема органска молекула, што е важното прашање при отстранувањето бои. Ниту една од овие вредности сама по себе не ја предвидува адсорпцијата на други молекули.

Полнежот е исто толку важен колку и големината. Бидејќи бојата е катјонска, негативно наелектризираните површини ја привлекуваат, а позитивно наелектризираните ја одбиваат. Затоа pH е променлива од првостепено значење, а не спореден детал, како што покажуваат експериментите подолу.

Како се изведува тестот во затворен систем

Стандардната лабораториска постапка е воспоставување рамнотежа во затворен систем. Подгответе го јагленот, просејте го за да добиете фракција со контролирана големина на честичките и измерете позната маса m. Додајте познат волумен V од раствор на бојата со почетна концентрација C0. Одржувајте ги pH и температурата константни, мешајте во текот на проверено време, а потоа одвојте го јагленот со филтрација или центрифугирање. Одредете ја преостанатата концентрација Ce преку UV-Vis апсорбанца, обично близу 660 до 665 nm и често на 664 nm, со калибрациска серија подготвена на истиот инструмент. Во една објавена постапка биле користени 0.050 g јаглен со 50 mL раствор во опсег од 10 до 1000 mg/L, 24 часа на 25 C, со мерење на 660 nm. Не постои единствен универзален протокол, па вредност наведена без доза, концентрационен опсег, време, температура, pH и бранова должина не е резултат. Таа е гласина.

Самата квантификација бара иста дисциплина како онаа опишана за мерење бои преку апсорбанца: калибрирајте на вашиот инструмент, потврдете го максимумот наместо да претпоставувате дека е на 664 nm и разредете ги концентрираните супернатанти за да ги вратите во линеарниот опсег.

Пример за пресметка

Адсорпциската способност се добива од билансот на масата. Бојата што недостига од растворот се наоѓа на јагленот:

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

каде што qe е рамнотежното адсорбирано количество во mg/g, C0 и Ce се почетната и рамнотежната концентрација во mg/L, V е волуменот во литри, а m е масата на јагленот во грамови.

Прва точка. Почнете со C0 = 100 mg/L, V = 0.100 L, m = 0.0200 g. По воспоставувањето рамнотежа, инструментот покажува Ce = 35 mg/L. Тогаш qe = (100 minus 35) times 0.100 divided by 0.0200 = 65 times 0.100 divided by 0.0200 = 325 mg/g. Процентот на отстранување е (100 minus 35) divided by 100 times 100 = 65 проценти.

Втора точка, иста доза и волумен, поголемо оптоварување. Почнете со C0 = 200 mg/L и измерете Ce = 90 mg/L. Тогаш qe = (200 minus 90) times 0.100 divided by 0.0200 = 550 mg/g, додека отстранувањето е (200 minus 90) divided by 200 times 100 = 55 проценти.

Овие два пара, (Ce = 35, qe = 325) и (Ce = 90, qe = 550), се две точки на една изотерма. Забележете го спротивното движење: адсорпциската способност се зголеми од 325 на 550 mg/g, додека отстранувањето се намали од 65 на 55 проценти. Адсорпциската способност и процентот на отстранување се движат во спротивни насоки со зголемувањето на концентрацијата. Секој што ги рангира јаглените според процентот на отстранување измерен при различни дози или концентрации го рангира експериментот, а не материјалот.

Променливите што мора да ги контролирате

Секоја ставка подолу ја менува вредноста. Одржувајте ја секоја константна или евидентирајте ја.

Доза. Повеќе јаглен значи повеќе адсорпциски места, па процентот на отстранување расте, додека адсорбираното количество по грам обично се намалува, бидејќи задржаната боја се распределува на поголема маса. Наведете ја дозата во g/L заедно со соодветните V и m.

Почетна концентрација. Повисока C0 обезбедува поголема движечка сила, па qe расте, додека процентот на отстранување се намалува како што се заситуваат адсорпциските места. Изотермите чиј модел е приспособен во опсег од 5 до 50 mg/L и во опсег од 100 до 400 mg/L опишуваат различни делови од кривата. Споредувајте ги адсорпциските способности добиени со приспособување само во опсези што се преклопуваат.

pH. За оваа катјонска боја, адсорбираното количество обично расте со pH, особено над точката на нулти полнеж на јагленот, каде што површината добива нето негативен полнеж. Ниското pH ги протонира површинските места и им овозможува на водородните јони да се натпреваруваат за нив. Големината на ефектот зависи од конкретниот јаглен: во една студија со активен јаглен, адсорбираното количество се зголемило од околу 51 mg/g при pH 2 на околу 92 mg/g при pH 8. Евидентирајте ги почетното и рамнотежното pH, како и солите присутни во растворот, бидејќи јонската јачина ги екранира истите сили што ги менува pH.

Време на контакт. Адсорбираното количество нагло расте, а потоа се стабилизира. Само вредноста на платото е qe; секоја претходна вредност е qt. Објавените времиња за воспоставување рамнотежа се движат од минути до многу часови за различни јаглени, со контакт од 24 часа во некои стандардни постапки. Одредете го платото преку кинетички мерења за вашиот јаглен, наместо да претпоставувате дека два часа се доволни.

Температура. Не постои универзална насока на промена. Адсорбираното количество расте со температурата во ендотермни системи, а се намалува во егзотермни, затоа мерете наместо да претпоставувате.

Големина на честичките и мешање. Поситните честички ги скратуваат дифузиските патишта и обично ја забрзуваат адсорпцијата; поинтензивното мешање го истенчува неподвижниот слој околу честичките и го има истиот ефект. И двете ја менуваат брзината, а не самата рамнотежа. Адсорпциска способност што се менува со брзината на мешање е предупредување дека рамнотежата никогаш не била достигната.

Идентитетот на реагенсот исто така треба да биде евидентиран, поради што проверките на чистотата и спецификацијата на бојата се наведуваат заедно со масата на јагленот: метиленското сино може да се продава како безводна сол со моларна маса близу 319.9 g/mol или како трихидрат со 373.90 g/mol, а определената содржина во комерцијалните производи често е под 100 проценти. Номиналната C0 пресметана со погрешна формулска маса систематски ја прави погрешна секоја qe.

Што кажуваат, а што не кажуваат приспособените криви

Моделот на Лангмир го изразува qe како qmax помножено со KL и Ce, поделено со (1 плус KL помножено со Ce). Од приспособувањето се добива адсорпциска способност при заситување qmax во mg/g и константа на афинитет KL во L/mg. Доброто совпаѓање значи дека оваа конкретна крива на заситување добро го опишува измерениот концентрационен опсег. Тоа не докажува дека јагленот има една еднородна популација адсорпциски места, дека покриеноста е строго монослојна или дека дејствува некој конкретен молекулски механизам. Хетерогените порозни јаглени често даваат криви со облик на Лангмирова крива во ограничени опсези.

Моделот на Фројндлих го изразува qe како KF помножено со Ce на степен 1/n. KF ја одредува емпириската скала на адсорпциската способност, а 1/n ја одредува закривеноста. Бидејќи оваа форма нема конечно плато, никогаш не смее да се екстраполира за да се измисли qmax. Подоброто совпаѓање со моделот на Фројндлих значи само дека неговиот растечки облик подобро се совпаѓа со измерениот интервал. Која равенка и да се користи, претпочитајте нелинеарна регресија на оригиналната форма, бидејќи линеаризираните трансформации ги изобличуваат грешките, и проверувајте ги резидуалите наместо да се потпирате само на R на квадрат.

Што нè учат 914 експерименти

Една анализа со машинско учење на 914 експерименти од 75 научни трудови ја моделирала адсорпцијата на метиленско сино кај глини, пепели и алкално активирани материјали со регресиски дрва засилени со градиентен метод. Нејзиниот главен резултат: почетната концентрација на бојата била доминантниот предиктор на пријавеното адсорбирано количество, при што pH, видот на суровината и типот на модификација исто така биле важни, со силни интеракции меѓу концентрацијата и речиси секоја друга променлива, вклучувајќи ги дозата, површината, времето на контакт и мешањето.

Две предупредувања овозможуваат овој наод да остане корисен. Прво, студијата не опфатила активен јаглен, па не може да ги рангира променливите кај јагленот. Второ, нејзината поука е методолошка и може непосредно да се примени: почетната концентрација никогаш не е споредна променлива, а работните услови имаат премногу силни интеракции со својствата на материјалот за кое било рангирање истакнато во mg/g да остане валидно без условите под кои е добиено. Тоа е истиот заклучок до кој примерот за пресметка доаѓа тргнувајќи од основните принципи.

Две грешки што треба да престанете да ги правите

Прво, престанете да го наведувате процентот на отстранување како адсорпциска способност. Голема доза може да обезбои 99 проценти од разреден раствор, а да задржи само неколку милиграми по грам, додека мала доза во концентриран раствор може да задржи стотици милиграми по грам, а сепак да остави видлива боја. Секогаш наведувајте ги C0, Ce, V, m, дозата во g/L, процентот на отстранување и qe заедно, инаку вредноста не може повторно да се употреби.

Второ, престанете да ја нарекувате вредноста измерена по фиксно време qe без да го прикажете кинетичкото плато, и престанете да ја стандардизирате бојата според масата наведена на етикетата. Потврдете ја рамнотежата со временска серија, проверете ја концентрацијата спектрофотометриски наместо да се потпирате на одмерената маса според етикетата, имајќи ги предвид проблемите со хидратната форма и определената содржина, и контролирајте ги pH, температурата, големината на честичките и мешањето. Адсорпциска способност за метиленско сино придружена со овие податоци е мерење што може да се примени и во други услови. Без нив, таа е само анегдота.