Метилен хөхийн адсорбцын сорил: идэвхжүүлсэн нүүрсний багтаамж

Нэг лаборатори хоёр төрлийн идэвхжүүлсэн нүүрсийг харьцуулжээ. Нэгийнх нь техникийн мэдээллийн хуудсанд метилен хөхийн үзүүлэлт нөгөөгөөсөө гурав дахин их гэж байв. Лаборатори өндөр үзүүлэлттэйг нь худалдан авч, тэр тоонд үндэслэн нүүрсний хэмжээг тохируулсан ч будагч бодис хүлээгдсэнээс эрт нэвтэрч гарчээ. Ямар ч мэдээллийг хуурамчаар үйлдээгүй байв. Хоёр тоо өөр өөр сорилоос гарсан бөгөөд худалдан авагч тэдгээрийг ижил хэмжигдэхүүн гэж ойлгосон байжээ.

Энэ нийтлэл тэрхүү тайлбарын алдааг залруулна. Сорил юуг хэмждэгийг тайлбарлаж, бодит тоогоор тооцоог хоёр удаа хийж, үр дүнг өөрчилдөг бүх хувьсагчийг нэрлэнэ. Өөр өөр адсорбентыг хооронд нь эрэмбэлэхтэй холбоотой асуудлыг тусад нь авч үзнэ; энд нэг төрлийн материал, нэг аргын тухай өгүүлнэ.

Яагаад энэ будагч бодисыг сорьцлогч болгон ашигладаг вэ

Метилен хөх нь катион шинжтэй, хавтгай бүтэцтэй ароматик будагч бодис юм. Усанд эерэг цэнэгтэй ион хэлбэрээр орших бөгөөд молекулынх нь хэмжээ ойролцоогоор 1.43 × 0.61 × 0.40 nm байдаг. Гол учир нь энэ хэмжээнд оршино. Өөр нэг түгээмэл сорьцлогч болох иод хамаагүй жижиг тул нарийн микросүвүүдэд нэвтэрдэг. Иймээс иодын тоо нь микросүвжилтийн хөгжлийг илэрхийлдэг. Харин метилен хөхөд илүү өргөн орц хэрэгтэй: ойролцоогоор 0.75 nm-ээс том сүвүүдэд нэвтрэх бөгөөд 1.4–3 nm орчим хэмжээтэй сүвүүд чухал хувь нэмэр оруулдаг. Эдгээр хэмжээ нь том микросүв болон жижиг мезосүвийг хамардаг тул энэ сорилыг зөвхөн мезосүвийг шалгадаг гэж нэрлэх нь хэт хялбарчилсан ойлголт юм. Хоёр сорьцлогч бие биеэ нөхдөг. Иод нарийн сүвжилт хэр их байгааг шалгана. Метилен хөх том органик молекул нэвтрэх боломжтой сүвийн орон зай хэр их байгааг шалгана. Энэ нь будагч бодисыг зайлуулахад чухал асуулт юм. Аль ч үзүүлэлт дангаараа бусад молекулын адсорбцлогдох хэмжээг таамаглахгүй.

Цэнэг нь хэмжээнээс дутахгүй чухал. Будагч бодис катион шинжтэй тул сөрөг цэнэгтэй гадаргууд татагдаж, эерэг цэнэгтэй гадаргуугаас түлхэгдэнэ. Иймээс pH нь нэмэлт тайлбар төдий биш, гол хувьсагч болдог. Үүнийг доорх туршилтууд харуулна.

Багц сорилыг хэрхэн хийдэг вэ

Лабораторид түгээмэл хэрэглэдэг хэлбэр нь багцаар тэнцвэржүүлэх сорил юм. Нүүрсийг урьдчилан бэлтгэж, шигшүүрээр хяналттай ширхэгийн хэмжээтэй фракц ялган, мэдэгдэж буй m массыг жинлэнэ. Анхны концентраци нь C0 байх будагч бодисын уусмалаас мэдэгдэж буй V эзлэхүүнийг нэмнэ. pH болон температурыг тогтмол барьж, баталгаажуулсан хугацаанд хутгаад, нүүрсийг шүүх эсвэл центрифугдэх аргаар салгана. Үлдсэн Ce концентрацийг UV-Vis шингээлтээр, ихэвчлэн 660–665 nm орчимд, олон тохиолдолд 664 nm дээр, тухайн багажаар бэлтгэсэн калибровкийн цуваатай харьцуулан тодорхойлно. Нийтлэгдсэн нэг аргачлалд 0.050 g нүүрсийг 10–1000 mg/L концентрацитай 50 mL уусмалд хийж, 25 C температурт 24 цаг байлгаад, 660 nm дээр хэмжсэн байдаг. Бүх нөхцөлд тохирох ганц аргачлал гэж байхгүй. Иймээс нүүрсний хэмжээ, концентрацийн муж, хугацаа, температур, pH, долгионы уртыг дурдаагүй тоон үзүүлэлт бол үр дүн биш. Дам яриа юм.

Тоон хэмжилтэд ч шингээлтэд суурилсан будагч бодисын хэмжилтэд тавьдагтай адил шаардлага хэрэгтэй: өөрийн багажаар калибровк хийж, оргилыг 664 nm гэж таамаглахын оронд баталгаажуулж, өндөр концентрацитай дээд шингэнийг шугаман мужид оруулах хүртэл шингэлнэ.

Тооцооны жишээ

Багтаамжийг массын балансаар олно. Уусмалаас алга болсон будагч бодис нүүрсэн дээр байна:

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

Энд qe нь тэнцвэрийн үеийн адсорбцлогдсон хэмжээ, mg/g; C0 ба Ce нь анхны болон тэнцвэрийн концентраци, mg/L; V нь литрээр илэрхийлсэн эзлэхүүн; m нь граммаар илэрхийлсэн нүүрсний масс юм.

Эхний цэг. C0 = 100 mg/L, V = 0.100 L, m = 0.0200 g нөхцөлөөр эхэлнэ. Тэнцвэр тогтсоны дараа багаж Ce = 35 mg/L гэж заав. Тэгвэл qe = (100 minus 35) times 0.100 divided by 0.0200 = 65 times 0.100 divided by 0.0200 = 325 mg/g. Зайлуулалтын хувь нь (100 minus 35) divided by 100 times 100 = 65 хувь.

Хоёр дахь цэгт нүүрсний хэмжээ, уусмалын эзлэхүүн ижил боловч будагч бодисын ачаалал өндөр байна. C0 = 200 mg/L нөхцөлөөр эхэлж, Ce = 90 mg/L гэж хэмжив. Тэгвэл qe = (200 minus 90) times 0.100 divided by 0.0200 = 550 mg/g, харин зайлуулалт нь (200 minus 90) divided by 200 times 100 = 55 хувь.

Эдгээр хоёр хос утга, (Ce = 35, qe = 325) ба (Ce = 90, qe = 550), нь изотермийн хоёр цэг юм. Эсрэг чиглэлтэй өөрчлөлтийг анзаараарай: багтаамж 325-аас 550 mg/g болж өсөхөд зайлуулалт 65-аас 55 хувь болж буурсан. Концентраци өсөхөд багтаамж болон зайлуулалтын хувь эсрэг чиглэлд өөрчлөгддөг. Өөр өөр нүүрсний хэмжээ эсвэл концентраци дээр хэмжсэн зайлуулалтын хувиар нүүрсийг эрэмбэлж байгаа хүн материалыг биш, туршилтыг эрэмбэлж байна.

Заавал хянах хувьсагчид

Доорх үзүүлэлт бүр тоон үр дүнг өөрчилнө. Тус бүрийг тогтмол барих эсвэл бүртгэх хэрэгтэй.

Нүүрсний хэмжээ. Нүүрс их байх тусам адсорбцын төвүүд олширдог тул зайлуулалтын хувь өснө. Харин баригдсан будагч бодис илүү их масс дээр хуваарилагдах учраас нэг граммд адсорбцлогдсон хэмжээ ихэвчлэн буурдаг. Нүүрсний хэмжээг g/L нэгжээр, тооцоонд ашигласан V болон m утгын хамт тайлагнана.

Анхны концентраци. C0 өндөр байх нь адсорбцын хөдөлгөгч хүчийг нэмэгдүүлдэг тул qe өснө. Харин адсорбцын төвүүд ханахын хэрээр зайлуулалтын хувь буурна. 5–50 mg/L болон 100–400 mg/L мужид тохируулсан изотермүүд муруйн өөр өөр хэсгийг дүрсэлдэг. Загвараар тооцсон багтаамжийг зөвхөн давхцаж буй мужийн хүрээнд харьцуулна.

pH. Энэ катион будагч бодисын адсорбцлогдох хэмжээ pH өсөхөд ихэвчлэн нэмэгддэг. Ялангуяа нүүрсний гадаргуугийн нийлбэр цэнэг сөрөг болдог тэг цэнэгийн цэгээс дээш үед энэ нөлөө тод илэрнэ. Бага pH нь гадаргуугийн төвүүдийг протонжуулж, устөрөгчийн ионуудыг тэдгээр төвийн төлөө өрсөлдөх боломжтой болгодог. Нөлөөллийн хэмжээ нь нүүрс бүрд өөр: идэвхжүүлсэн нүүрсний нэг судалгаанд pH 2 үед ойролцоогоор 51 mg/g байсан утга pH 8 үед ойролцоогоор 92 mg/g болсон. Анхны болон тэнцвэрийн pH, мөн суурь электролитийн давсуудыг бүртгэнэ. Учир нь ионы хүч нь pH-ээр өөрчлөгддөг цахилгаан харилцан үйлчлэлийг халхалдаг.

Харьцах хугацаа. Адсорбцлогдсон хэмжээ эхлээд огцом өсөж, дараа нь тогтворжино. Зөвхөн тогтворжсон хэсгийн утгыг qe гэнэ; түүнээс өмнөх бүх утга qt юм. Нийтлэгдсэн судалгаануудад өөр өөр нүүрсний тэнцвэржих хугацаа хэдэн минутаас олон цаг хүртэл хэлбэлздэг бөгөөд зарим стандарт аргачлалд 24 цагийн харьцах хугацаа ашигладаг. Хоёр цаг хангалттай гэж таамаглахын оронд өөрийн нүүрсний тогтворжих үеийг кинетикийн хэмжилтээр тодорхойлно.

Температур. Бүх тохиолдолд ижил чиглэлээр өөрчлөгдөхгүй. Эндотерм системд температур өсөхөд адсорбцлогдох хэмжээ нэмэгдэж, экзотерм системд буурдаг. Иймээс таамаглахын оронд хэмжих хэрэгтэй.

Ширхэгийн хэмжээ ба хутгалт. Жижиг ширхэгүүд диффузийн замыг богиносгож, адсорбцлогдох явцыг ихэвчлэн хурдасгана. Эрчимтэй хутгалт ширхэгүүдийн эргэн тойрон дахь хөдөлгөөнгүй шингэний үеийг нимгэлж, мөн адил нөлөөлнө. Аль аль нь тэнцвэрийг өөрийг нь биш, хурдыг өөрчилдөг. Багтаамж хутгах хурдаас хамааран өөрчлөгдөж байвал тэнцвэрт огт хүрээгүйг анхааруулж байна.

Урвалжийн яг ямар хэлбэрийг ашигласныг мөн бүртгэх ёстой. Иймээс нүүрсний массын мэдээллийн зэрэгцээ будагч бодисын цэвэршилт болон үзүүлэлтийг шалгах нь чухал: метилен хөхийг ойролцоогоор 319.9 g/mol молийн масстай усгүй давс эсвэл 373.90 g/mol молийн масстай тригидрат хэлбэрээр худалдаалж болох бөгөөд худалдааны бүтээгдэхүүний тоон шинжилгээгээр тогтоосон агууламж ихэвчлэн 100 хувиас бага байдаг. Буруу молийн массаар тооцсон нэрлэсэн C0 нь бүх qe утгыг системтэйгээр алдаатай болгоно.

Тохируулсан муруйнууд юуг хэлж, юуг хэлдэггүй вэ

Лангмюрын тохируулгад qe-ийг qmax times KL times Ce divided by (1 plus KL times Ce) гэж илэрхийлнэ. Үүнээс mg/g нэгжтэй, загвараар тооцсон ханалтын багтаамж qmax болон L/mg нэгжтэй адсорбцын таталцлын тогтмол KL гарна. Сайн тохирч байгаа нь тухайн ханалтын муруй хэмжсэн концентрацийн мужийг сайн дүрсэлж байгааг л илэрхийлнэ. Энэ нь нүүрсэнд зөвхөн нэгэн жигд шинжтэй адсорбцын төвүүд байгаа, бүрхэлт заавал нэг молекулын давхарга үүсгэдэг, эсвэл тодорхой молекулын механизм үйлчилж байгааг нотлохгүй. Нэгэн төрлийн бус сүвэрхэг нүүрс хязгаарлагдмал мужид Лангмюрын хэлбэртэй муруй өгөх нь түгээмэл.

Фрейндлихийн тохируулгад qe-ийг KF times Ce to the power 1/n гэж илэрхийлнэ. KF нь эмпирик багтаамжийн масштабыг, 1/n нь муруйлтыг тогтооно. Энэ хэлбэрт төгсгөлөг тогтворжих хэсэг байдаггүй тул qmax гаргаж авахын тулд хэмжсэн мужаас цааш хэзээ ч экстраполяц хийж болохгүй. Фрейндлихийн загвар илүү сайн тохирсон нь түүний өсөх хэлбэр хэмжсэн интервалтай илүү сайн нийцэж байгааг л илэрхийлнэ. Аль тэгшитгэлийг ашиглахаас үл хамааран анхны хэлбэр дээр нь шугаман бус регресс хийхийг илүүд үзээрэй. Учир нь шугаман болгосон хувиргалтууд алдааг гажуудуулдаг. Мөн зөвхөн R-ийн квадрат утгад найдалгүй, үлдэгдлүүдийг шалгана.

914 туршилтаас авах сургамж

75 өгүүллийн 914 туршилтыг хамарсан машин сургалтын шинжилгээ нь шавар, үнс болон шүлтээр идэвхжүүлсэн материал дахь метилен хөхийн адсорбцлогдох хэмжээг градиент бустингийн регрессийн модоор загварчилжээ. Гол үр дүн нь: тайлагнасан адсорбцлогдсон хэмжээг таамаглахад будагч бодисын анхны концентраци хамгийн давамгай үзүүлэлт байсан. pH, түүхий эдийн төрөл, өөрчлөлт боловсруулалтын төрөл мөн чухал байсан бөгөөд концентраци нь нүүрсний хэмжээ, гадаргуугийн талбай, харьцах хугацаа, хутгалт зэрэг бараг бүх бусад хувьсагчтай хүчтэй харилцан үйлчлэлтэй байв.

Энэ үр дүнг хэрэгтэй хэвээр байлгахын тулд хоёр зүйлийг анхаарах шаардлагатай. Нэгдүгээрт, тухайн судалгаанд идэвхжүүлсэн нүүрс хамрагдаагүй тул нүүрсний хувьд хувьсагчдыг эрэмбэлэхэд ашиглаж болохгүй. Хоёрдугаарт, сургамж нь арга зүйн шинжтэй бөгөөд бусад нөхцөлд шууд хэрэглэж болно: анхны концентраци хэзээ ч үл тоомсорлож болох дагалдах хувьсагч биш. Ажиллах нөхцөлүүд материалын шинж чанартай маш хүчтэй харилцан үйлчилдэг тул нөхцөлийн мэдээллийг орхивол дан mg/g утгаар хийсэн ямар ч эрэмбэ утгаа алдана. Дээрх тооцооны жишээ суурь зарчмаас мөн ийм дүгнэлтэд хүрч байна.

Дахин гаргаж болохгүй хоёр алдаа

Нэгдүгээрт, зайлуулалтын хувийг багтаамж гэж тайлагнахаа зогсоо. Их хэмжээний нүүрс сул уусмалын өнгийг 99 хувь арилгахдаа нэг граммдаа цөөн миллиграмм л барьж болно. Харин бага хэмжээний нүүрс өндөр концентрацитай уусмалд нэг граммдаа хэдэн зуун миллиграмм барьсан ч харагдахуйц өнгө үлдээж болно. C0, Ce, V, m, g/L нэгжээр илэрхийлсэн нүүрсний хэмжээ, зайлуулалтын хувь болон qe-ийг үргэлж хамтад нь тайлагнана. Эс тэгвээс тоон үзүүлэлтийг дахин ашиглах боломжгүй.

Хоёрдугаарт, кинетикийн тогтворжсон хэсгийг харуулалгүйгээр тогтмол хугацаанд хэмжсэн утгыг qe гэж нэрлэхээ, мөн шошгонд заасан хэлбэрийн жинд тулгуурлан будагч бодисын концентрацийг тогтоохоо зогсоо. Хугацааны цуваагаар тэнцвэр тогтсоныг баталгаажуул. Гидрат хэлбэр болон тоон шинжилгээний агууламжийн асуудлыг харгалзан, жинлэсэн хэмжээ ба шошгын мэдээлэлд найдахын оронд концентрацийг спектрофотометрээр баталгаажуул. pH, температур, ширхэгийн хэмжээ, хутгалтыг хяна. Эдгээр мэдээллийг хавсаргасан метилен хөхийн багтаамж нь бусад нөхцөлд ашиглаж болох хэмжилт болно. Тэдгээргүй бол ганц тохиолдлын ажиглалт төдий юм.