मिथिलीन ब्लू अधिशोषण चाचण्या आणि सक्रिय कार्बन: चाचणी करणे आणि आकड्याचा अर्थ समजून घेणे

एक प्रयोगशाळा दोन सक्रिय कार्बनची तुलना करते. एका माहितीपत्रकात दिलेले मिथिलीन ब्लू मूल्य दुसऱ्याच्या तिप्पट आहे. प्रयोगशाळा मोठा आकडा असलेला कार्बन खरेदी करते, त्यानुसार मात्रा ठरवते, आणि रंगद्रव्य अपेक्षेपेक्षा लवकर कार्बनमधून पुढे जाऊ लागते. कोणतीही माहिती खोटी नव्हती. हे दोन आकडे वेगवेगळ्या चाचण्यांतून आले होते, पण खरेदीदाराने ते एकाच राशीचे मापन असल्याचे मानले.

हा लेख अर्थ लावण्यातील ती चूक दुरुस्त करतो. चाचणी काय मोजते हे स्पष्ट करतो, प्रत्यक्ष आकड्यांसह दोनदा गणना करतो आणि निकाल बदलणारा प्रत्येक चल सांगतो. वेगवेगळ्या अधिशोषकांची एकमेकांशी तुलना करून क्रमवारी लावण्याचा संबंधित प्रश्न स्वतंत्रपणे हाताळला आहे; इथे विषय आहे पदार्थांचा एक वर्ग आणि एक पद्धत.

चाचणीचा निर्देशक म्हणून हे रंगद्रव्य का वापरले जाते

मिथिलीन ब्लू हे धनायनिक, सपाट, अरोमॅटिक रंगद्रव्य आहे. पाण्यात ते धनभारित आयनाच्या स्वरूपात असते आणि त्याच्या रेणूची परिमाणे साधारण 1.43 बाय 0.61 बाय 0.40 nm आहेत. हाच आकार महत्त्वाचा आहे. दुसरा पारंपरिक निर्देशक, आयोडीन, यापेक्षा खूप लहान असल्याने अरुंद सूक्ष्मरंध्रांत शिरतो; त्यामुळे आयोडीन मूल्य सूक्ष्मरंध्रांच्या विकासाचे निदर्शक असते. मिथिलीन ब्लूला अधिक रुंद प्रवेशमार्ग लागतात: ते साधारण 0.75 nm पेक्षा मोठ्या रंध्रांत प्रवेश करते, आणि सुमारे 1.4 ते 3 nm आकाराच्या रंध्रांचा त्यात महत्त्वाचा वाटा असतो. ही परिमाणे मोठी सूक्ष्मरंध्रे आणि लहान मध्यमरंध्रे या दोन्हींना व्यापतात, त्यामुळे या चाचणीला केवळ मध्यमरंध्रांचा निर्देशक म्हणणे अतिसुलभीकरण ठरते. हे दोन निर्देशक एकमेकांना पूरक आहेत. आयोडीन अत्यंत लहान रंध्रांची उपलब्धता किती आहे हे सांगतो. मिथिलीन ब्लू मोठ्या सेंद्रिय रेणूला सामावून घेणारी रंध्रांतील जागा किती आहे हे सांगते, आणि रंगद्रव्य काढून टाकण्यासाठी हाच प्रश्न महत्त्वाचा असतो. यांपैकी कोणताही आकडा स्वतःहून इतर रेणूंच्या अधिशोषित प्रमाणाचा अंदाज देत नाही.

आकाराइतकाच विद्युतभारही महत्त्वाचा आहे. हे रंगद्रव्य धनायनिक असल्याने ऋणभारित पृष्ठभागांकडे आकर्षित होते आणि धनभारित पृष्ठभागांपासून दूर ढकलले जाते. त्यामुळे pH हा दुय्यम तपशील नसून प्रमुख चल ठरतो, जसे खालील प्रयोग दाखवतात.

बॅच चाचणी कशी केली जाते

प्रयोगशाळेतील प्रमाणित स्वरूप म्हणजे बॅचमध्ये समतोल साधणे. कार्बन चाचणीसाठी योग्य स्थितीत आणा, चाळणीने ठरावीक आकारमर्यादेतील कण वेगळे करा आणि ज्ञात वस्तुमान m वजन करून घ्या. प्रारंभिक सांद्रता C0 असलेल्या रंगद्रव्य द्रावणाचे ज्ञात घनफळ V घाला. pH आणि तापमान स्थिर ठेवा, पडताळलेल्या कालावधीपर्यंत ढवळा, आणि मग गाळणी किंवा अपकेंद्रीकरणाने कार्बन वेगळा करा. त्याच उपकरणावर तयार केलेल्या अंशांकन मालिकेच्या आधारे UV-Vis प्रकाशशोषण मोजून उरलेली सांद्रता Ce ठरवा; हे मापन साधारण 660 ते 665 nm जवळ आणि अनेकदा 664 nm वर केले जाते. एका प्रकाशित प्रक्रियेत 0.050 g कार्बन आणि 50 mL द्रावण वापरले होते, सांद्रतेची श्रेणी 10 ते 1000 mg/L होती, संपर्क 25 C वर 24 तास ठेवला होता आणि मापन 660 nm वर केले होते. एकच सार्वत्रिक प्रक्रिया नाही; म्हणून मात्रा, सांद्रतेची श्रेणी, वेळ, तापमान, pH आणि तरंगलांबी यांशिवाय दिलेले मूल्य हा निकाल नाही. ती केवळ ऐकीव माहिती आहे.

परिमाणात्मक मापनालाही प्रकाशशोषणावर आधारित रंगद्रव्य मापनात सांगितलेलीच शिस्त आवश्यक आहे: स्वतःच्या उपकरणावर अंशांकन करा, 664 nm गृहीत धरण्याऐवजी कमाल प्रकाशशोषणाची तरंगलांबी पडताळा, आणि जास्त सांद्रतेचा वरचा स्वच्छ द्रव विरल करून रेषीय श्रेणीत आणा.

उदाहरणांसह गणना

धारणक्षमता वस्तुमान संतुलनातून मिळते. द्रावणातून कमी झालेले रंगद्रव्य कार्बनवर असते:

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

इथे qe म्हणजे mg/g मधील समतोलावरील अधिशोषित प्रमाण, C0 आणि Ce म्हणजे mg/L मधील प्रारंभिक आणि समतोलावरील सांद्रता, V म्हणजे लिटरमधील घनफळ, आणि m म्हणजे ग्रॅममधील कार्बनचे वस्तुमान.

पहिला बिंदू. सुरुवातीला C0 = 100 mg/L, V = 0.100 L, m = 0.0200 g घ्या. समतोल साधल्यानंतर उपकरण Ce = 35 mg/L दाखवते. मग qe = (100 minus 35) times 0.100 divided by 0.0200 = 65 times 0.100 divided by 0.0200 = 325 mg/g. काढून टाकलेल्या रंगद्रव्याची टक्केवारी म्हणजे (100 minus 35) divided by 100 times 100 = 65 टक्के.

दुसरा बिंदू, मात्रा आणि घनफळ तेच, पण रंगद्रव्याचा भार अधिक. सुरुवातीला C0 = 200 mg/L घ्या आणि मापनात Ce = 90 mg/L मिळते. मग qe = (200 minus 90) times 0.100 divided by 0.0200 = 550 mg/g, तर काढून टाकलेल्या रंगद्रव्याची टक्केवारी (200 minus 90) divided by 200 times 100 = 55 टक्के आहे.

या दोन जोड्या, (Ce = 35, qe = 325) आणि (Ce = 90, qe = 550), समतापी वक्राचे दोन बिंदू आहेत. विरुद्ध दिशेने होणारा बदल लक्षात घ्या: धारणक्षमता 325 वरून 550 mg/g पर्यंत वाढली, तर काढून टाकलेल्या रंगद्रव्याची टक्केवारी 65 वरून 55 टक्क्यांपर्यंत घटली. सांद्रता वाढल्यावर धारणक्षमता आणि काढून टाकलेल्या रंगद्रव्याची टक्केवारी विरुद्ध दिशांनी बदलतात. वेगवेगळ्या मात्रा किंवा सांद्रतांवर मोजलेल्या रंगद्रव्य काढून टाकण्याच्या टक्केवारीनुसार कार्बनची क्रमवारी लावणारी व्यक्ती पदार्थाची नव्हे, तर प्रयोगाची क्रमवारी लावत असते.

तुम्ही नियंत्रित केले पाहिजेत असे चल

खालील प्रत्येक घटक आकडा बदलतो. प्रत्येक घटक स्थिर ठेवा किंवा त्याची नोंद करा.

मात्रा. अधिक कार्बन म्हणजे अधिक अधिशोषण स्थळे; त्यामुळे काढून टाकलेल्या रंगद्रव्याची टक्केवारी वाढते, तर प्रति ग्रॅम अधिशोषित प्रमाण सहसा कमी होते, कारण पकडलेले रंगद्रव्य अधिक वस्तुमानावर विभागले जाते. मात्रा g/L मध्ये नोंदवा आणि त्यासाठी वापरलेले V व m देखील द्या.

प्रारंभिक सांद्रता. अधिक C0 मुळे अधिशोषणाची प्रेरक शक्ती वाढते; त्यामुळे qe वाढते, तर स्थळे संतृप्त होत गेल्यावर काढून टाकलेल्या रंगद्रव्याची टक्केवारी घटते. 5 ते 50 mg/L आणि 100 ते 400 mg/L या श्रेणींवर समायोजित केलेले समतापी वक्र वक्राच्या वेगवेगळ्या भागांचे वर्णन करतात. समायोजनातून मिळालेल्या धारणक्षमतेची तुलना फक्त एकमेकांशी जुळणाऱ्या श्रेणींमध्ये करा.

pH. या धनायनिक रंगद्रव्यासाठी pH वाढल्यावर अधिशोषित प्रमाण सामान्यतः वाढते, विशेषतः कार्बनच्या शून्य निव्वळ विद्युतभाराच्या pH बिंदूपेक्षा वर, जिथे पृष्ठभागाचा निव्वळ विद्युतभार ऋण होतो. कमी pH मुळे पृष्ठभागावरील स्थळांचे प्रोटोनीकरण होते आणि हायड्रोजन आयन त्या स्थळांसाठी स्पर्धा करतात. या परिणामाची तीव्रता कार्बननुसार बदलते: सक्रिय कार्बनच्या एका अभ्यासात अधिशोषित प्रमाण pH 2 वर सुमारे 51 mg/g वरून pH 8 वर सुमारे 92 mg/g पर्यंत वाढले. प्रारंभिक आणि समतोलावरील pH तसेच द्रावणातील इतर क्षारांची नोंद करा, कारण pH ज्या विद्युतबलांवर परिणाम करतो, त्यांचाच प्रभाव आयनिक बलामुळे कमी होतो.

संपर्क कालावधी. अधिशोषित प्रमाण सुरुवातीला झपाट्याने वाढते आणि नंतर स्थिर होते. फक्त या स्थिर पातळीवरील मूल्यच qe असते; त्यापूर्वीचे कोणतेही मूल्य qt असते. वेगवेगळ्या कार्बनसाठी प्रकाशित समतोल कालावधी काही मिनिटांपासून अनेक तासांपर्यंत आहेत, आणि काही प्रमाणित प्रक्रियांमध्ये 24 तासांचा संपर्क वापरला जातो. दोन तास पुरेसे आहेत असे गृहीत धरण्याऐवजी आपल्या कार्बनसाठी कालानुसार मापन करून स्थिर पातळी ठरवा.

तापमान. बदलाची एकच सार्वत्रिक दिशा नाही. उष्माशोषी प्रणालींमध्ये तापमान वाढल्यावर अधिशोषित प्रमाण वाढते आणि उष्मोत्सर्गी प्रणालींमध्ये घटते; म्हणून गृहीत धरण्याऐवजी मोजा.

कणांचा आकार आणि ढवळणे. लहान कणांमुळे विसरणाचा मार्ग कमी होतो आणि अधिशोषण सहसा जलद होते; अधिक जोरात ढवळल्याने कणांभोवतीचा स्थिर द्रवथर पातळ होतो आणि तोच परिणाम होतो. दोन्ही घटक वेग बदलतात, समतोल स्वतः बदलत नाहीत. ढवळण्याच्या वेगानुसार धारणक्षमता बदलत असेल, तर समतोल साधलाच गेला नव्हता याचा तो इशारा आहे.

अभिकर्मकाची ओळखही नोंदीत असली पाहिजे; म्हणूनच कार्बनच्या वस्तुमानाबरोबर रंगद्रव्याच्या शुद्धतेची आणि विनिर्देशांची पडताळणी महत्त्वाची ठरते: मिथिलीन ब्लू सुमारे 319.9 g/mol असलेल्या निर्जल क्षाराच्या किंवा 373.90 g/mol असलेल्या ट्रायहायड्रेटच्या स्वरूपात विकले जाऊ शकते, आणि व्यावसायिक उत्पादनातील विश्लेषणाने ठरवलेली शुद्धता अनेकदा 100 टक्क्यांपेक्षा कमी असते. चुकीच्या सूत्रभारावरून मोजलेली नाममात्र C0 प्रत्येक qe मध्ये पद्धतशीर त्रुटी निर्माण करते.

समायोजित वक्र काय सांगतात आणि काय सांगत नाहीत

लँगम्युअर समायोजनात qe हे qmax times KL times Ce divided by (1 plus KL times Ce) असे लिहिले जाते. यातून mg/g मधील समायोजित संतृप्ती धारणक्षमता qmax आणि L/mg मधील आसक्ती स्थिरांक KL मिळतो. चांगले समायोजन म्हणजे हा विशिष्ट संतृप्ती वक्र मोजलेल्या सांद्रता श्रेणीचे चांगले वर्णन करतो. कार्बनवरील सर्व स्थळे एकसमान आहेत, आवरण काटेकोरपणे एकाच रेणुथराचे आहे किंवा एखादी विशिष्ट रेणवीय यंत्रणा कार्यरत आहे, हे त्यावरून सिद्ध होत नाही. विषम रचना असलेल्या सच्छिद्र कार्बनवर मर्यादित श्रेणींमध्ये लँगम्युअर आकाराचे वक्र नेहमीच आढळतात.

फ्रॉइंडलिश समायोजनात qe हे KF times Ce to the power 1/n असे लिहिले जाते. KF प्रायोगिक धारणक्षमतेचे प्रमाण ठरवतो आणि 1/n वक्रता ठरवतो. या स्वरूपात मर्यादित स्थिर पातळी नसल्याने, qmax तयार करण्यासाठी त्याचा मापन श्रेणीबाहेर विस्तार कधीही करू नये. अधिक चांगले फ्रॉइंडलिश समायोजन मिळणे याचा अर्थ फक्त त्याचा वाढता आकार मोजलेल्या श्रेणीशी अधिक चांगला जुळतो. कोणतेही समीकरण वापरले तरी मूळ स्वरूपावरील अरेषीय प्रतिगमनाला प्राधान्य द्या, कारण रेषीय केलेली रूपांतरे त्रुटींचे स्वरूप विकृत करतात; आणि केवळ R squared वर विश्वास ठेवण्याऐवजी मोजलेली व भाकीत केलेली मूल्ये यांतील अवशिष्ट फरक तपासा.

914 प्रयोग काय शिकवतात

75 शोधनिबंधांतील 914 प्रयोगांच्या मशीन लर्निंग विश्लेषणात ग्रेडियंट बूस्टेड रिग्रेशन ट्री वापरून चिकणमाती, राख आणि क्षाराने सक्रिय केलेल्या पदार्थांवरील मिथिलीन ब्लूच्या अधिशोषित प्रमाणाचे प्रतिरूप तयार केले गेले. त्याचा प्रमुख निष्कर्ष: नोंदवलेल्या अधिशोषित प्रमाणाचा सर्वात प्रभावी अंदाज देणारा घटक प्रारंभिक रंगद्रव्य सांद्रता होता; pH, कच्च्या पदार्थाची ओळख आणि फेरबदलाचा प्रकारही महत्त्वाचे होते. तसेच सांद्रता आणि मात्रा, पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ, संपर्क कालावधी व ढवळणे यांसह जवळजवळ प्रत्येक इतर चलामध्ये प्रबळ परस्परसंवाद आढळले.

दोन सावधगिरीचे मुद्दे हा निष्कर्ष उपयोगी ठेवतात. पहिला, त्या अभ्यासात सक्रिय कार्बनचा समावेश नव्हता; त्यामुळे त्यावरून कार्बनवरील चलांची क्रमवारी लावता येत नाही. दुसरा, त्याची शिकवण पद्धतीविषयी आहे आणि ती इथेही थेट लागू होते: प्रारंभिक सांद्रता हा कधीही केवळ अडथळा ठरणारा दुय्यम चल नसतो, आणि कार्यस्थिती व पदार्थाचे गुणधर्म यांचा परस्परसंवाद इतका प्रबळ असतो की संबंधित अटी वगळल्यावर केवळ mg/g वर आधारित कोणतीही ठळक क्रमवारी टिकत नाही. उदाहरणांसह केलेली गणनाही मूलभूत तत्त्वांवरून हाच निष्कर्ष काढते.

करणे थांबवले पाहिजे अशा दोन चुका

पहिली, काढून टाकलेल्या रंगद्रव्याची टक्केवारी म्हणजे धारणक्षमता असे सांगणे थांबवा. जास्त मात्रा विरल द्रावणातील 99 टक्के रंग काढून टाकू शकते, तरी प्रति ग्रॅम केवळ काही मिलिग्रॅम रंगद्रव्य धारण करत असेल; तर कमी मात्रा सांद्र द्रावणात प्रति ग्रॅम शेकडो मिलिग्रॅम धारण करू शकते, तरी रंग दिसत राहू शकतो. C0, Ce, V, m, g/L मधील मात्रा, काढून टाकलेल्या रंगद्रव्याची टक्केवारी आणि qe नेहमी एकत्र नोंदवा; अन्यथा त्या आकड्याचा पुन्हा उपयोग करता येत नाही.

दुसरी, कालानुसार अधिशोषण स्थिर झाल्याचे दाखवल्याशिवाय ठरावीक वेळेच्या मूल्याला qe म्हणणे थांबवा, आणि लेबलवरील माहितीनुसार वजन करून रंगद्रव्याची सांद्रता प्रमाणित करणे थांबवा. कालानुसार मापनांची मालिका घेऊन समतोल पडताळा, हायड्रेट आणि शुद्धतेच्या समस्येमुळे लेबलनुसार वजन केलेल्या प्रमाणावर विश्वास ठेवण्याऐवजी वर्णपटमापनाने सांद्रता पडताळा, आणि pH, तापमान, कणांचा आकार व ढवळणे नियंत्रित ठेवा. या नोंदींसह दिलेली मिथिलीन ब्लू धारणक्षमता इतर परिस्थितींमध्ये उपयोग करता येण्याजोगे मापन असते. त्यांशिवाय तो केवळ एखाद्या अनुभवाचा दाखला असतो.