Testi i adsorbimit të blusë së metilenit: kapaciteti i karbonit aktiv

Një laborator krahason dy karbone aktive. Njëra fletë teknike deklaron një vlerë të blusë së metilenit tri herë më të lartë se tjetra. Laboratori blen karbonin me vlerën më të madhe, e dozon sipas saj dhe ngjyruesi fillon të kalojë përmes tij më herët nga sa pritej. Asgjë nuk ishte falsifikuar. Dy vlerat vinin nga teste të ndryshme dhe blerësi i interpretoi si të njëjtën madhësi.

Ky artikull korrigjon atë gabim interpretimi. Ai shpjegon çfarë mat testi, kryen dy herë llogaritjen me vlera reale dhe përcakton çdo ndryshore që ndikon në rezultat. Problemi i lidhur me renditjen e adsorbentëve të ndryshëm kundrejt njëri-tjetrit trajtohet veçmas; këtu tema është një klasë materialesh dhe një metodë.

Pse përdoret ky ngjyrues si sondë

Bluja e metilenit është një ngjyrues kationik, aromatik dhe planar. Në ujë ekziston si jon me ngarkesë pozitive dhe përmasat e saj molekulare janë afërsisht 1.43 me 0.61 me 0.40 nm. Pikërisht kjo madhësi është thelbësore. Jodi, sonda tjetër klasike, është shumë më i vogël dhe depërton në mikropore të ngushta, ndaj numri i jodit pasqyron zhvillimin e mikroporeve. Bluja e metilenit kërkon hyrje më të gjera: ajo hyn në pore mbi afërsisht 0.75 nm, me kontribute të rëndësishme nga poret rreth 1.4 deri në 3 nm. Këto përmasa përfshijnë mikropore më të mëdha dhe mezopore të vogla, ndaj përshkrimi i testit si një sondë vetëm për mezoporet është një thjeshtim i tepruar. Dy sondat plotësojnë njëra-tjetrën. Jodi tregon sa porozitet i imët ekziston. Bluja e metilenit tregon sa hapësirë poresh lejon hyrjen e një molekule të madhe organike, që është pyetja me rëndësi për largimin e ngjyruesit. Asnjëra vlerë, e vetme, nuk parashikon adsorbimin e molekulave të tjera.

Ngarkesa ka po aq rëndësi sa madhësia. Meqë ngjyruesi është kationik, ai tërhiqet nga sipërfaqet me ngarkesë negative dhe shtyhet nga ato me ngarkesë pozitive. Kjo e bën pH-në një ndryshore kryesore, jo një hollësi dytësore, siç tregojnë eksperimentet më poshtë.

Si kryhet testi me tufa

Forma standarde laboratorike është vendosja e ekuilibrit në një tufë. Përgatitni karbonin, siteni për të marrë një fraksion me madhësi të kontrolluar grimcash dhe peshoni një masë të njohur m. Shtoni një vëllim të njohur V të tretësirës së ngjyruesit me përqendrim fillestar C0. Mbani pH-në dhe temperaturën të pandryshuara, përziejeni për një kohë të verifikuar dhe pastaj ndani karbonin me filtrim ose centrifugim. Përcaktoni përqendrimin e mbetur Ce me absorbancë UV-Vis, zakonisht afër 660 deri në 665 nm dhe shpesh në 664 nm, kundrejt një serie kalibrimi të përgatitur në të njëjtin instrument. Një procedurë e botuar përdori 0.050 g karbon me 50 mL tretësirë në intervalin 10 deri në 1000 mg/L, për 24 orë në 25 C, me matje në 660 nm. Nuk ka një protokoll të vetëm universal, prandaj një vlerë e raportuar pa dozën, intervalin e përqendrimit, kohën, temperaturën, pH-në dhe gjatësinë e valës nuk është rezultat. Është një thashethem.

Vetë përcaktimi sasior kërkon të njëjtën disiplinë që përshkruhet për matjen e ngjyruesit me anë të absorbancës: kalibroni instrumentin tuaj, verifikoni maksimumin e absorbancës në vend që të supozoni 664 nm dhe holloni lëngjet e sipërme me përqendrim të lartë që të rikthehen në intervalin linear.

Llogaritja me shembuj

Kapaciteti rrjedh nga bilanci i masës. Ngjyruesi që mungon në tretësirë ndodhet mbi karbon:

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

ku qe është sasia e adsorbuar në ekuilibër në mg/g, C0 dhe Ce janë përqendrimet fillestare dhe në ekuilibër në mg/L, V është vëllimi në litra dhe m është masa e karbonit në gramë.

Pika e parë. Filloni me C0 = 100 mg/L, V = 0.100 L, m = 0.0200 g. Pas vendosjes së ekuilibrit, instrumenti raporton Ce = 35 mg/L. Atëherë qe = (100 minus 35) times 0.100 divided by 0.0200 = 65 times 0.100 divided by 0.0200 = 325 mg/g. Përqindja e largimit është (100 minus 35) divided by 100 times 100 = 65 për qind.

Pika e dytë, me të njëjtën dozë dhe të njëjtin vëllim, por me ngarkesë më të lartë. Filloni me C0 = 200 mg/L dhe matni Ce = 90 mg/L. Atëherë qe = (200 minus 90) times 0.100 divided by 0.0200 = 550 mg/g, ndërsa largimi është (200 minus 90) divided by 200 times 100 = 55 për qind.

Këto dy çifte, (Ce = 35, qe = 325) dhe (Ce = 90, qe = 550), janë dy pika të një izoterme. Vëreni sjelljen e kundërt: kapaciteti u rrit nga 325 në 550 mg/g, ndërsa largimi ra nga 65 në 55 për qind. Kapaciteti dhe përqindja e largimit ndryshojnë në drejtime të kundërta me rritjen e përqendrimit. Kushdo që i rendit karbonet sipas përqindjes së largimit të matur në doza ose përqendrime të ndryshme, po rendit eksperimentin, jo materialin.

Ndryshoret që duhet të kontrolloni

Çdo parametër më poshtë e ndryshon vlerën. Mbajeni secilin të pandryshuar ose regjistrojeni.

Doza. Më shumë karbon do të thotë më shumë vende adsorbimi, ndaj përqindja e largimit rritet, ndërsa sasia e adsorbuar për gram zakonisht bie, sepse ngjyruesi i kapur shpërndahet në një masë më të madhe. Raportoni dozën në g/L së bashku me V dhe m nga të cilat është llogaritur.

Përqendrimi fillestar. Një C0 më i lartë krijon një forcë shtytëse më të madhe, ndaj qe rritet, ndërsa përqindja e largimit bie kur vendet e adsorbimit ngopen. Izotermat e përshtatura në intervalin 5 deri në 50 mg/L dhe në intervalin 100 deri në 400 mg/L përshkruajnë zona të ndryshme të kurbës. Krahasoni kapacitetet e përftuara nga përshtatja vetëm në intervale që mbivendosen.

pH. Për këtë ngjyrues kationik, sasia e adsorbuar zakonisht rritet me pH-në, veçanërisht mbi pikën e ngarkesës zero të karbonit, ku sipërfaqja merr ngarkesë neto negative. pH-ja e ulët protonon vendet sipërfaqësore dhe u lejon joneve të hidrogjenit të konkurrojnë për to. Madhësia e efektit varet nga karboni: në një studim me karbon aktiv, sasia e adsorbuar u rrit nga rreth 51 mg/g në pH 2 në rreth 92 mg/g në pH 8. Regjistroni pH-në fillestare dhe atë në ekuilibër, si dhe kripërat e pranishme në mjedis, sepse forca jonike dobëson të njëjtat ndërveprime që ndikon pH-ja.

Koha e kontaktit. Sasia e adsorbuar rritet shpejt, pastaj stabilizohet. Vetëm vlera në pllajë është qe; çdo vlerë më e hershme është qt. Kohët e botuara të vendosjes së ekuilibrit variojnë nga minuta në shumë orë për karbone të ndryshme, me kontakte prej 24 orësh në disa procedura standarde. Përcaktoni pllajën përmes matjeve kinetike për karbonin tuaj, në vend që të supozoni se mjaftojnë dy orë.

Temperatura. Nuk ekziston një drejtim universal ndryshimi. Sasia e adsorbuar rritet me temperaturën në sistemet endotermike dhe bie në ato ekzotermike, ndaj mateni në vend që ta supozoni.

Madhësia e grimcave dhe përzierja. Grimcat më të imëta shkurtojnë rrugët e difuzionit dhe zakonisht përshpejtojnë adsorbimin; përzierja më e fortë hollon shtresën e palëvizshme rreth grimcave dhe jep të njëjtin efekt. Të dyja ndryshojnë shpejtësinë, jo vetë ekuilibrin. Një kapacitet që ndryshon me shpejtësinë e përzierjes është një paralajmërim se ekuilibri nuk është arritur.

Identiteti i reagentit duhet gjithashtu të dokumentohet, prandaj kontrollet e pastërtisë dhe specifikimit të ngjyruesit duhen regjistruar krahas masës së karbonit: bluja e metilenit mund të shitet si kripë anhidre me masë molare afër 319.9 g/mol ose si trihidrat me 373.90 g/mol, dhe përmbajtja e përcaktuar analitikisht në produktet tregtare shpesh është nën 100 për qind. C0 nominal i llogaritur nga masa molare e gabuar e bën çdo qe sistematikisht të gabuar.

Çfarë tregojnë dhe çfarë nuk tregojnë kurbat e përshtatura

Një përshtatje sipas Langmuir e shpreh qe si qmax shumëzuar me KL dhe me Ce, pjesëtuar me (1 plus KL shumëzuar me Ce). Ajo jep një kapacitet ngopjeje të përftuar nga përshtatja qmax në mg/g dhe një konstante afiniteti KL në L/mg. Një përshtatje e mirë do të thotë se kjo kurbë e veçantë ngopjeje e përshkruan mirë intervalin e matur të përqendrimit. Ajo nuk provon se karboni ka një popullatë të vetme, të njëtrajtshme vendesh adsorbimi, se mbulimi është rreptësisht një shtresë e vetme molekulare ose se vepron ndonjë mekanizëm i caktuar molekular. Karbonet poroze heterogjene prodhojnë rregullisht kurba të formës Langmuir në intervale të kufizuara.

Një përshtatje sipas Freundlich e shpreh qe si KF shumëzuar me Ce në fuqinë 1/n. KF përcakton shkallën empirike të kapacitetit dhe 1/n përcakton lakimin. Meqë kjo formë nuk ka një pllajë të fundme, ajo nuk duhet ekstrapoluar kurrë për të shpikur një qmax. Një përshtatje më e mirë sipas Freundlich do të thotë vetëm se forma e saj rritëse përputhet më mirë me intervalin e matur. Cilido ekuacion të përdoret, parapëlqeni regresionin jolinear mbi formën origjinale, sepse transformimet e linearizuara shtrembërojnë gabimet, dhe shqyrtoni mbetjet në vend që të mbështeteni vetëm te R në katror.

Çfarë na mësojnë 914 eksperimente

Një analizë me mësim makinerik e 914 eksperimenteve nga 75 punime modeloi adsorbimin e blusë së metilenit nga argjilat, hirat dhe materialet e aktivizuara me alkale, duke përdorur pemë regresioni të përforcuara me gradient. Rezultati kryesor: përqendrimi fillestar i ngjyruesit ishte parashikuesi mbizotërues i sasisë së raportuar të adsorbuar; pH-ja, identiteti i lëndës së parë dhe lloji i modifikimit ishin gjithashtu të rëndësishëm. Kishte edhe ndërveprime të forta ndërmjet përqendrimit dhe pothuajse çdo ndryshoreje tjetër, përfshirë dozën, sipërfaqen, kohën e kontaktit dhe përzierjen.

Dy sqarime e mbajnë këtë gjetje të dobishme. Së pari, ai studim nuk përfshinte karbonin aktiv, ndaj nuk mund të renditë ndryshoret sipas rëndësisë së tyre për karbonin. Së dyti, mësimi i tij është metodologjik dhe mund të zbatohet drejtpërdrejt: përqendrimi fillestar nuk është kurrë një ndryshore e parëndësishme dhe kushtet e punës ndërveprojnë aq fort me vetitë e materialit, sa asnjë renditje e përgjithshme në mg/g nuk mbetet e vlefshme kur hiqen kushtet e saj. Ky është i njëjti përfundim që llogaritja me shembuj nxjerr nga parimet themelore.

Dy gabime që duhen shmangur

Së pari, mos e raportoni më përqindjen e largimit si kapacitet. Një dozë e madhe mund të çngjyrosë 99 për qind të një tretësire të holluar, ndërsa mban pak miligramë për gram; një dozë e vogël në një tretësirë të përqendruar mund të mbajë qindra miligramë për gram, ndërsa lë ende ngjyrë të dukshme. Raportoni gjithmonë së bashku C0, Ce, V, m, dozën në g/L, përqindjen e largimit dhe qe, përndryshe vlera nuk mund të ripërdoret.

Së dyti, mos e quani më qe një vlerë të matur pas një kohe të caktuar pa treguar pllajën kinetike dhe mos e standardizoni ngjyruesin sipas masës së deklaruar në etiketë. Verifikoni ekuilibrin me një seri matjesh në kohë, verifikoni përqendrimin spektrofotometrikisht në vend që t'i besoni masës së peshuar të produktit të etiketuar, duke marrë parasysh çështjen e hidratimit dhe të përmbajtjes së përcaktuar analitikisht, dhe kontrolloni pH-në, temperaturën, madhësinë e grimcave dhe përzierjen. Një kapacitet adsorbimi i blusë së metilenit i shoqëruar me këto të dhëna është një matje e transferueshme. Pa to, është një anekdotë.