Ujian Penjerapan Metilena Biru: Kapasiti Karbon Teraktif

Sebuah makmal membandingkan dua jenis karbon teraktif. Satu helaian data menyatakan nilai metilena biru yang tiga kali ganda lebih tinggi daripada yang satu lagi. Makmal membeli karbon dengan nilai yang lebih tinggi, menetapkan dos berdasarkan nilai itu, tetapi pewarna mula menembusi karbon lebih awal daripada jangkaan. Tiada maklumat yang dipalsukan. Kedua-dua nilai itu diperoleh daripada ujian yang berbeza, tetapi pembeli menganggapnya sebagai kuantiti yang sama.

Artikel ini membetulkan kesilapan pentafsiran tersebut. Artikel ini menerangkan perkara yang diukur oleh ujian, menunjukkan dua pengiraan menggunakan nilai sebenar, dan menyenaraikan setiap pemboleh ubah yang mempengaruhi keputusan. Persoalan berkaitan pemeringkatan bahan penjerap yang berbeza dibincangkan secara berasingan; di sini, tumpuannya ialah satu kelas bahan dan satu kaedah.

Mengapa pewarna ini digunakan sebagai prob

Metilena biru ialah pewarna aromatik kationik yang berbentuk satah. Dalam air, pewarna ini wujud sebagai ion bercas positif, dan dimensi molekulnya kira-kira 1.43 kali 0.61 kali 0.40 nm. Saiz itulah ciri utamanya. Iodin, satu lagi prob klasik, jauh lebih kecil dan boleh memasuki mikropori yang sempit, maka nombor iodin mencerminkan perkembangan mikropori. Metilena biru memerlukan bukaan yang lebih luas: molekulnya boleh memasuki liang yang lebih besar daripada kira-kira 0.75 nm, dengan sumbangan penting daripada liang sekitar 1.4 hingga 3 nm. Dimensi tersebut merangkumi mikropori yang lebih besar dan mesopori kecil, maka menyifatkan ujian ini sebagai prob mesopori semata-mata terlalu memudahkan keadaan sebenar. Kedua-dua prob saling melengkapi. Iodin menunjukkan berapa banyak keliangan halus yang wujud. Metilena biru menunjukkan berapa banyak ruang liang yang boleh dimasuki oleh molekul organik besar, iaitu persoalan yang penting untuk penyingkiran pewarna. Kedua-dua nilai ini, secara sendirian, tidak meramalkan penjerapan molekul lain.

Cas sama pentingnya dengan saiz. Oleh sebab pewarna ini bersifat kationik, ia tertarik kepada permukaan bercas negatif dan ditolak oleh permukaan bercas positif. Ini menjadikan pH pemboleh ubah utama, bukannya perkara sampingan, seperti yang ditunjukkan oleh eksperimen di bawah.

Cara ujian kelompok dijalankan

Bentuk ujian makmal yang lazim ialah penyeimbangan secara kelompok. Sediakan karbon mengikut keadaan yang ditetapkan, ayak untuk mendapatkan pecahan saiz zarah yang terkawal, dan timbang jisim m yang diketahui. Tambahkan isi padu V larutan pewarna yang diketahui pada kepekatan awal C0. Kekalkan pH dan suhu, lakukan pengadukan untuk tempoh yang telah disahkan, kemudian asingkan karbon melalui penurasan atau pengemparan. Tentukan kepekatan baki Ce melalui absorbans UV-Vis, lazimnya sekitar 660 hingga 665 nm dan sering pada 664 nm, berdasarkan siri penentukuran yang disediakan menggunakan instrumen yang sama. Satu prosedur yang diterbitkan menggunakan 0.050 g karbon dengan 50 mL larutan dalam julat 10 hingga 1000 mg/L, selama 24 jam pada 25 C, dengan bacaan pada 660 nm. Tiada satu protokol sejagat, maka nilai yang dilaporkan tanpa dos, julat kepekatan, masa, suhu, pH, dan panjang gelombang bukanlah suatu keputusan. Ia sekadar khabar angin.

Pengkuantitian itu sendiri memerlukan disiplin yang sama seperti yang diterangkan dalam pengukuran pewarna berasaskan absorbans: lakukan penentukuran pada instrumen anda, sahkan puncak dan bukannya terus menganggapnya pada 664 nm, serta cairkan supernatan berkepekatan tinggi supaya kembali dalam julat linear.

Contoh pengiraan

Kapasiti diperoleh daripada imbangan jisim. Pewarna yang berkurang daripada larutan berada pada karbon:

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

di mana qe ialah jumlah terjerap pada keseimbangan dalam mg/g, C0 dan Ce ialah kepekatan awal dan kepekatan keseimbangan dalam mg/L, V ialah isi padu dalam liter, dan m ialah jisim karbon dalam gram.

Titik pertama. Mulakan dengan C0 = 100 mg/L, V = 0.100 L, m = 0.0200 g. Selepas penyeimbangan, instrumen melaporkan Ce = 35 mg/L. Maka qe = (100 minus 35) times 0.100 divided by 0.0200 = 65 times 0.100 divided by 0.0200 = 325 mg/g. Peratus penyingkiran ialah (100 minus 35) divided by 100 times 100 = 65 percent.

Titik kedua, dengan dos dan isi padu yang sama tetapi beban pewarna lebih tinggi. Mulakan dengan C0 = 200 mg/L dan ukur Ce = 90 mg/L. Maka qe = (200 minus 90) times 0.100 divided by 0.0200 = 550 mg/g, manakala penyingkiran ialah (200 minus 90) divided by 200 times 100 = 55 percent.

Kedua-dua pasangan ini, (Ce = 35, qe = 325) dan (Ce = 90, qe = 550), ialah dua titik pada suatu isoterm. Perhatikan perubahan yang bertentangan: kapasiti meningkat daripada 325 kepada 550 mg/g, manakala penyingkiran menurun daripada 65 kepada 55 peratus. Kapasiti dan peratus penyingkiran bergerak dalam arah yang bertentangan apabila kepekatan meningkat. Sesiapa yang memeringkatkan karbon berdasarkan peratus penyingkiran yang diukur pada dos atau kepekatan berbeza sebenarnya memeringkatkan eksperimen, bukannya bahan.

Pemboleh ubah yang mesti anda kawal

Setiap perkara di bawah mengubah nilai yang diperoleh. Tetapkan setiap satunya atau rekodkannya.

Dos. Lebih banyak karbon bermakna lebih banyak tapak penjerapan, maka peratus penyingkiran meningkat, manakala jumlah terjerap bagi setiap gram biasanya menurun kerana pewarna yang ditangkap tersebar pada jisim yang lebih besar. Laporkan dos dalam g/L bersama nilai V dan m yang digunakan.

Kepekatan awal. C0 yang lebih tinggi memberikan daya penggerak yang lebih besar, maka qe meningkat, manakala peratus penyingkiran menurun apabila tapak menjadi tepu. Isoterm yang dipadankan dalam julat 5 hingga 50 mg/L dan 100 hingga 400 mg/L menggambarkan bahagian lengkung yang berbeza. Bandingkan kapasiti hasil pemadanan hanya dalam julat yang bertindih.

pH. Bagi pewarna kationik ini, penjerapan lazimnya meningkat dengan pH, khususnya apabila melebihi titik cas sifar karbon, ketika permukaan memperoleh cas bersih negatif. pH rendah memprotonkan tapak permukaan dan membolehkan ion hidrogen bersaing untuk tapak tersebut. Besarnya kesan bergantung pada karbon: satu kajian karbon teraktif menunjukkan peningkatan daripada kira-kira 51 mg/g pada pH 2 kepada kira-kira 92 mg/g pada pH 8. Rekodkan pH awal dan pH keseimbangan serta garam latar, kerana kekuatan ionik mengurangkan pengaruh daya yang sama yang diubah oleh pH.

Masa sentuhan. Jumlah terjerap meningkat dengan mendadak, kemudian mendatar. Hanya nilai pada bahagian mendatar ialah qe; sebarang nilai yang lebih awal ialah qt. Masa penyeimbangan yang diterbitkan merangkumi beberapa minit hingga berjam-jam bagi karbon yang berbeza, dengan tempoh sentuhan 24 jam dalam sesetengah prosedur standard. Tentukan bahagian mendatar secara kinetik untuk karbon anda dan bukannya menganggap dua jam sudah memadai.

Suhu. Tiada arah perubahan yang sejagat. Penjerapan meningkat dengan suhu dalam sistem endotermik dan menurun dalam sistem eksotermik, maka ukurlah dan bukannya membuat andaian.

Saiz zarah dan pengadukan. Zarah yang lebih halus memendekkan laluan resapan dan biasanya mempercepat penjerapan; pengadukan yang lebih kuat menipiskan lapisan bendalir pegun di sekeliling zarah dan memberikan kesan yang sama. Kedua-duanya mengubah kadar, bukan keseimbangan itu sendiri. Kapasiti yang berubah mengikut kelajuan pengadukan ialah amaran bahawa keseimbangan tidak pernah dicapai.

Identiti reagen juga perlu direkodkan, sebab itulah semakan ketulenan dan spesifikasi pewarna disertakan bersama jisim karbon: metilena biru mungkin dijual sebagai garam kontang dengan jisim molar sekitar 319.9 g/mol atau sebagai trihidrat pada 373.90 g/mol, dan kandungan berdasarkan asai komersial sering di bawah 100 peratus. C0 nominal yang dikira menggunakan jisim formula yang salah menjadikan setiap qe salah secara sistematik.

Perkara yang boleh dan tidak boleh disimpulkan daripada lengkung hasil pemadanan

Pemadanan Langmuir menyatakan qe sebagai qmax times KL times Ce divided by (1 plus KL times Ce). Pemadanan ini menghasilkan kapasiti ketepuan qmax dalam mg/g dan pemalar afiniti KL dalam L/mg. Pemadanan yang baik bermakna lengkung ketepuan tersebut menggambarkan julat kepekatan yang diukur dengan baik. Ia tidak membuktikan bahawa karbon mempunyai satu populasi tapak yang seragam, bahawa liputan benar-benar berupa satu lapisan molekul, atau bahawa mana-mana mekanisme molekul tertentu berlaku. Karbon berliang yang heterogen lazimnya menghasilkan lengkung berbentuk Langmuir dalam julat terhad.

Pemadanan Freundlich menyatakan qe sebagai KF times Ce to the power 1/n. KF menetapkan skala kapasiti empirikal dan 1/n menetapkan kelengkungan. Oleh sebab bentuk ini tidak mempunyai bahagian mendatar yang terhingga, ia tidak boleh diekstrapolasikan untuk mereka-reka qmax. Pemadanan Freundlich yang lebih baik hanya bermakna bentuk lengkungnya yang meningkat lebih sepadan dengan selang yang diukur. Apa-apa pun persamaan yang digunakan, utamakan regresi tak linear pada bentuk asal, kerana transformasi yang dilinearkan memesongkan ralat, dan periksa residu daripada hanya bergantung pada R kuasa dua.

Pengajaran daripada 914 eksperimen

Satu analisis pembelajaran mesin terhadap 914 eksperimen daripada 75 makalah memodelkan penjerapan metilena biru pada tanah liat, abu, dan bahan yang diaktifkan dengan alkali menggunakan pokok regresi dengan penggalakan kecerunan. Dapatan utamanya: kepekatan awal pewarna ialah peramal dominan bagi jumlah terjerap yang dilaporkan, dengan pH, identiti bahan mentah, dan jenis pengubahsuaian turut memainkan peranan penting, serta terdapat interaksi kuat antara kepekatan dan hampir setiap pemboleh ubah lain termasuk dos, luas permukaan, masa sentuhan, dan pengadukan.

Dua perkara perlu diberi perhatian agar dapatan ini kekal berguna. Pertama, kajian itu tidak merangkumi karbon teraktif, maka ia tidak boleh menentukan peringkat kepentingan pemboleh ubah bagi karbon. Kedua, pengajarannya bersifat metodologi dan boleh diterapkan secara langsung: kepekatan awal tidak boleh dianggap sebagai pemboleh ubah sampingan, dan keadaan operasi berinteraksi terlalu kuat dengan sifat bahan sehingga sebarang pemeringkatan utama berdasarkan mg/g tidak lagi bermakna apabila maklumat tentang keadaannya tiada. Itulah kesimpulan yang sama yang dicapai oleh contoh pengiraan berdasarkan prinsip asas.

Dua kesilapan yang perlu dihentikan

Pertama, berhenti melaporkan peratus penyingkiran sebagai kapasiti. Dos yang tinggi boleh menghilangkan 99 peratus warna daripada larutan berkepekatan rendah sambil menampung hanya beberapa miligram bagi setiap gram, manakala dos yang rendah dalam larutan berkepekatan tinggi boleh menampung beratus-ratus miligram bagi setiap gram walaupun warna masih kelihatan. Sentiasa laporkan C0, Ce, V, m, dos dalam g/L, peratus penyingkiran, dan qe bersama-sama; jika tidak, nilai itu tidak boleh digunakan semula.

Kedua, berhenti menamakan nilai pada masa tetap sebagai qe tanpa menunjukkan bahagian mendatar kinetik, dan berhenti menyeragamkan pewarna berdasarkan berat yang dinyatakan pada label. Sahkan keseimbangan melalui siri masa, sahkan kepekatan secara spektrofotometri dan bukannya mempercayai berat yang ditimbang berdasarkan label memandangkan isu hidrat dan asai, serta kawal pH, suhu, saiz zarah, dan pengadukan. Kapasiti metilena biru yang disertai semua maklumat tersebut ialah ukuran yang boleh digunakan dalam konteks lain. Tanpanya, ia sekadar anekdot.