மெத்திலீன் நீலத்தின் பரப்புக்கவர்தல் சோதனைகளும் செயலூக்கப்பட்ட கார்பனும்: சோதனையை நடத்துவதும் மதிப்பைப் புரிந்துகொள்வதும்

ஓர் ஆய்வகம் இரண்டு செயலூக்கப்பட்ட கார்பன்களை ஒப்பிடுகிறது. ஒன்றின் தரவுத்தாளில் குறிப்பிடப்பட்டுள்ள மெத்திலீன் நீல மதிப்பு, மற்றொன்றின் மதிப்பைவிட மூன்று மடங்கு அதிகம். ஆய்வகம் அதிக மதிப்புள்ள கார்பனை வாங்கி, அந்த மதிப்பின் அடிப்படையில் பயன்படுத்தும் அளவை நிர்ணயிக்கிறது. ஆனால் சாயம் எதிர்பார்த்ததைவிட முன்னதாகவே கார்பனைக் கடந்து வெளியேறுகிறது. எந்தத் தகவலும் பொய்யாக்கப்படவில்லை. அந்த இரண்டு மதிப்புகளும் வெவ்வேறு சோதனைகளிலிருந்து பெறப்பட்டவை; வாங்கியவர் அவற்றை ஒரே அளவாகப் புரிந்துகொண்டார்.

இந்தக் கட்டுரை அந்தப் புரிதல் பிழையைச் சரிசெய்கிறது. சோதனை எதை அளவிடுகிறது என்பதை விளக்குகிறது; உண்மையான எண்களைக் கொண்டு இரண்டு முறை கணக்கீட்டைச் செய்கிறது; முடிவை மாற்றும் ஒவ்வொரு மாறியையும் குறிப்பிடுகிறது. வெவ்வேறு பரப்புக்கவர்பொருட்களை ஒன்றுடன் ஒன்று ஒப்பிட்டுத் தரவரிசைப்படுத்தும் தொடர்புடைய சிக்கல் தனியாகக் கையாளப்படுகிறது; இங்கு பேசப்படுவது ஒரே பொருள் வகையும் ஒரே முறையும்தான்.

இந்தச் சாயம் ஏன் ஆய்வுப் பொருளாகப் பயன்படுகிறது

மெத்திலீன் நீலம் நேர்மின் அயனித் தன்மையுள்ள, தளவடிவ நறுமண வளையச் சாயம். நீரில் இது நேர்மின் மின்னூட்டமுள்ள அயனியாக உள்ளது; இதன் மூலக்கூறு பரிமாணங்கள் தோராயமாக 1.43 × 0.61 × 0.40 nm. இந்த அளவுதான் முக்கியம். வழக்கமாகப் பயன்படுத்தப்படும் மற்றொரு ஆய்வுப் பொருளான அயோடின் இதைவிட மிகச் சிறியது; அது குறுகிய நுண்துளைகளுக்குள் எளிதாக நுழைகிறது. எனவே அயோடின் எண் நுண்துளைகளின் உருவாக்கத்தைக் காட்டுகிறது. மெத்திலீன் நீலத்திற்கு அகலமான நுழைவாயில்கள் தேவை: அது தோராயமாக 0.75 nm-க்கு மேற்பட்ட துளைகளுக்குள் நுழைகிறது; சுமார் 1.4 முதல் 3 nm வரையிலான துளைகள் முக்கியப் பங்களிப்பை அளிக்கின்றன. இந்தப் பரிமாணங்கள் பெரிய நுண்துளைகளையும் சிறிய இடைத்துளைகளையும் உள்ளடக்குவதால், இந்தச் சோதனையை இடைத்துளைகளை மட்டுமே ஆராயும் சோதனை என்று கூறுவது மிகையான எளிமைப்படுத்தல். இந்த இரண்டு ஆய்வுப் பொருட்களும் ஒன்றையொன்று நிறைவுசெய்கின்றன. எவ்வளவு நுண்ணிய துளை அமைப்பு உள்ளது என்பதை அயோடின் ஆராய்கிறது. ஒரு பெரிய கரிம மூலக்கூறை அனுமதிக்கும் துளை இடம் எவ்வளவு உள்ளது என்பதை மெத்திலீன் நீலம் ஆராய்கிறது; சாயத்தை அகற்றுவதற்கு முக்கியமான கேள்வி இதுதான். இந்த இரு மதிப்புகளில் எதுவும் தனியாக மற்ற மூலக்கூறுகளின் ஏற்பளவைக் கணிக்காது.

அளவைப் போலவே மின்னூட்டமும் முக்கியம். சாயம் நேர்மின் அயனித் தன்மையுடையதால், எதிர்மின் மின்னூட்டமுள்ள பரப்புகளால் ஈர்க்கப்படுகிறது; நேர்மின் மின்னூட்டமுள்ள பரப்புகளால் விலக்கப்படுகிறது. ஆகவே pH என்பது ஒரு சிறுகுறிப்பு அல்ல, முதன்மையான மாறி; கீழே உள்ள சோதனைகள் இதைக் காட்டுகின்றன.

தொகுதி சோதனை எவ்வாறு நடத்தப்படுகிறது

வழக்கமான ஆய்வக முறை, தொகுதி சமநிலைப்படுத்தல் ஆகும். கார்பனை உரிய முறையில் தயாரித்து, கட்டுப்படுத்தப்பட்ட துகள் அளவுப் பிரிவைப் பெறச் சலித்து, தெரிந்த நிறை m-ஐ எடைபோடுங்கள். தொடக்கச் செறிவு C0 கொண்ட சாயக் கரைசலில் தெரிந்த கனஅளவு V-ஐச் சேருங்கள். pH மற்றும் வெப்பநிலையை நிலையாக வைத்திருந்து, உறுதிப்படுத்தப்பட்ட காலத்திற்கு கலக்கி, பின்னர் வடிகட்டுதல் அல்லது மையவிலக்குதல் மூலம் கார்பனைப் பிரியுங்கள். அதே கருவியில் தயாரிக்கப்பட்ட அளவுத்திருத்தத் தொடருடன் ஒப்பிட்டு, UV-Vis ஒளி உறிஞ்சுதிறன் மூலம் மீதமுள்ள செறிவு Ce-ஐக் கண்டறியுங்கள். பொதுவாக இது 660 முதல் 665 nm அருகிலும், பெரும்பாலும் 664 nm-இலும் அளவிடப்படுகிறது. வெளியிடப்பட்ட ஒரு செயல்முறையில், 10 முதல் 1000 mg/L வரையிலான செறிவுகளில் 50 mL கரைசலுடன் 0.050 g கார்பன் பயன்படுத்தப்பட்டு, 25 C-இல் 24 மணி நேரம் வைக்கப்பட்டு, 660 nm-இல் அளவீடு செய்யப்பட்டது. அனைவருக்கும் பொருந்தும் ஒரே நெறிமுறை இல்லை. எனவே பயன்படுத்திய கார்பன் அளவு, செறிவு வரம்பு, நேரம், வெப்பநிலை, pH, அலைநீளம் ஆகியவை இல்லாமல் தெரிவிக்கப்படும் மதிப்பு ஒரு சோதனை முடிவு அல்ல. அது ஒரு வதந்தி.

ஒளி உறிஞ்சுதிறன் அடிப்படையிலான சாய அளவீட்டில் விவரிக்கப்பட்டுள்ள அதே கட்டுப்பாடு, அளவை நிர்ணயிப்பதற்கும் தேவை: உங்கள் கருவியில் அளவுத்திருத்தம் செய்யுங்கள்; 664 nm என்று கருதிக்கொள்வதற்குப் பதிலாக உச்ச அலைநீளத்தை உறுதிப்படுத்துங்கள்; அதிகச் செறிவுள்ள மேல்தெளிவுக் கரைசல்களை நேரியல் வரம்பிற்குள் வருமாறு நீர்த்துப்போகச் செய்யுங்கள்.

கணக்கீட்டு எடுத்துக்காட்டுகள்

கொள்ளளவு நிறைச் சமநிலையிலிருந்து பெறப்படுகிறது. கரைசலில் குறைந்துள்ள சாயம் கார்பனில் தங்கியுள்ளது:

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

இங்கு qe என்பது mg/g-இல் சமநிலை ஏற்பளவு; C0 மற்றும் Ce ஆகியவை mg/L-இல் தொடக்க மற்றும் சமநிலைச் செறிவுகள்; V என்பது லிட்டர்களில் கனஅளவு; m என்பது கிராம்களில் கார்பனின் நிறை.

முதல் புள்ளி. C0 = 100 mg/L, V = 0.100 L, m = 0.0200 g ஆகியவற்றுடன் தொடங்குங்கள். சமநிலை அடைந்தபின் கருவி Ce = 35 mg/L என்று காட்டுகிறது. அப்போது qe = (100 minus 35) times 0.100 divided by 0.0200 = 65 times 0.100 divided by 0.0200 = 325 mg/g. அகற்றப்பட்ட சதவீதம் (100 minus 35) divided by 100 times 100 = 65 சதவீதம்.

இரண்டாவது புள்ளியில் கார்பன் அளவும் கனஅளவும் அதேபோல உள்ளன; ஆனால் சாயச் சுமை அதிகம். C0 = 200 mg/L உடன் தொடங்கி, Ce = 90 mg/L என்று அளவிடுங்கள். அப்போது qe = (200 minus 90) times 0.100 divided by 0.0200 = 550 mg/g; அகற்றப்பட்ட அளவு (200 minus 90) divided by 200 times 100 = 55 சதவீதம்.

இந்த இரண்டு இணைகளான (Ce = 35, qe = 325) மற்றும் (Ce = 90, qe = 550), ஒரு சமவெப்ப வளைவின் இரண்டு புள்ளிகள். அவை எதிரெதிராக மாறுவதைக் கவனியுங்கள்: கொள்ளளவு 325-இலிருந்து 550 mg/g ஆக உயர்ந்தபோது, அகற்றப்பட்ட அளவு 65-இலிருந்து 55 சதவீதமாகக் குறைந்தது. செறிவு அதிகரிக்கும்போது கொள்ளளவும் அகற்றப்பட்ட சதவீதமும் எதிர்த் திசைகளில் நகர்கின்றன. வெவ்வேறு கார்பன் அளவுகள் அல்லது செறிவுகளில் அளவிடப்பட்ட அகற்றல் சதவீதத்தின் அடிப்படையில் கார்பன்களைத் தரவரிசைப்படுத்துபவர், பொருளை அல்ல, சோதனையையே தரவரிசைப்படுத்துகிறார்.

நீங்கள் கட்டுப்படுத்த வேண்டிய மாறிகள்

கீழே உள்ள ஒவ்வொன்றும் மதிப்பை மாற்றுகிறது. ஒவ்வொன்றையும் நிலையாக வைத்திருங்கள் அல்லது பதிவுசெய்யுங்கள்.

பயன்படுத்தும் கார்பன் அளவு. அதிக கார்பன் என்பது அதிக பரப்புக்கவர்தல் இடங்களைக் குறிக்கும். எனவே அகற்றப்பட்ட சதவீதம் அதிகரிக்கிறது; ஆனால் ஒரு கிராமிற்கான ஏற்பளவு பொதுவாகக் குறைகிறது, ஏனெனில் பிடிக்கப்பட்ட சாயம் அதிக நிறையில் பகிர்ந்தளிக்கப்படுகிறது. பயன்படுத்திய அளவை g/L-இல், அதற்குரிய V மற்றும் m உடன் தெரிவியுங்கள்.

தொடக்கச் செறிவு. அதிக C0 ஒரு பெரிய உந்துவிசையை அளிப்பதால் qe அதிகரிக்கிறது; அதேவேளையில் பரப்புக்கவர்தல் இடங்கள் நிறைவடையும்போது அகற்றப்பட்ட சதவீதம் குறைகிறது. 5 முதல் 50 mg/L வரம்பிலும் 100 முதல் 400 mg/L வரம்பிலும் பொருத்தப்பட்ட சமவெப்ப வளைவுகள், வளைவின் வெவ்வேறு பகுதிகளை விவரிக்கின்றன. பொருத்தப்பட்ட கொள்ளளவுகளை ஒன்றுடன் ஒன்று பொதுவாக உள்ள வரம்புகளில் மட்டுமே ஒப்பிடுங்கள்.

pH. இந்த நேர்மின் அயனிச் சாயத்தின் ஏற்பளவு பொதுவாக pH உடன் அதிகரிக்கிறது; குறிப்பாக கார்பனின் நிகர மின்னூட்டம் பூஜ்ஜியமாகும் pH-ஐத் தாண்டி, பரப்பு நிகர எதிர்மின் மின்னூட்டத்தைப் பெறும்போது இது நிகழ்கிறது. குறைந்த pH பரப்பிலுள்ள இடங்களில் புரோட்டான்களைச் சேர்க்கிறது; ஹைட்ரஜன் அயனிகளும் அந்த இடங்களுக்காகப் போட்டியிடுகின்றன. இந்த விளைவின் அளவு கார்பனைப் பொறுத்தது: செயலூக்கப்பட்ட கார்பன் குறித்த ஓர் ஆய்வில், pH 2-இல் சுமார் 51 mg/g ஆக இருந்த ஏற்பளவு, pH 8-இல் சுமார் 92 mg/g ஆக உயர்ந்தது. தொடக்க மற்றும் சமநிலை pH மதிப்புகளுடன் கரைசலில் ஏற்கெனவே உள்ள உப்புகளையும் பதிவுசெய்யுங்கள்; ஏனெனில் pH மாற்றும் அதே மின்னியல் விசைகளை அயனி வலிமை மறைத்துக் குறைக்கிறது.

தொடர்பு நேரம். ஏற்பளவு முதலில் செங்குத்தாக உயர்ந்து, பின்னர் நிலையான மட்டத்தை அடைகிறது. அந்த நிலையான மட்டத்தின் மதிப்பு மட்டுமே qe; அதற்கு முன்புள்ள எந்த மதிப்பும் qt ஆகும். வெளியிடப்பட்ட சமநிலைப்படுத்தல் நேரங்கள், வெவ்வேறு கார்பன்களுக்கு சில நிமிடங்களிலிருந்து பல மணி நேரம் வரை வேறுபடுகின்றன; சில வழக்கமான செயல்முறைகளில் 24 மணி நேரத் தொடர்பு பயன்படுத்தப்படுகிறது. இரண்டு மணி நேரம் போதும் என்று கருதாமல், உங்கள் கார்பன் நிலையான மட்டத்தை அடையும் நேரத்தை இயக்கவியல் அளவீடுகளால் கண்டறியுங்கள்.

வெப்பநிலை. எல்லா அமைப்புகளுக்கும் பொருந்தும் ஒரே மாற்றத் திசை இல்லை. வெப்பம் உட்கொள்ளும் அமைப்புகளில் வெப்பநிலையுடன் ஏற்பளவு அதிகரிக்கிறது; வெப்பம் வெளியிடும் அமைப்புகளில் குறைகிறது. எனவே அனுமானிக்காமல் அளவிடுங்கள்.

துகள் அளவும் கலக்குதலும். சிறிய துகள்கள் பரவல் பாதைகளைக் குறைத்து, பொதுவாக ஏற்பு வேகத்தை அதிகரிக்கின்றன; வலுவான கலக்குதல் துகள்களைச் சுற்றியுள்ள தேங்கிய திரவப் படலத்தை மெலிதாக்கி, அதே விளைவை ஏற்படுத்துகிறது. இரண்டும் வேகத்தை மாற்றுகின்றன; சமநிலையையே மாற்றுவதில்லை. கிளறும் வேகத்திற்கேற்ப கொள்ளளவு மாறினால், சமநிலை அடையப்படவில்லை என்பதற்கான எச்சரிக்கை அது.

வினைப்பொருளின் அடையாளமும் பதிவில் இடம்பெற வேண்டும். அதனால்தான் கார்பன் நிறையுடன் சாயத்தின் தூய்மை மற்றும் விவரக்குறிப்புக்கான சரிபார்ப்புகளும் சேர்க்கப்படுகின்றன: மெத்திலீன் நீலம் சுமார் 319.9 g/mol கொண்ட நீரற்ற உப்பாகவோ, 373.90 g/mol கொண்ட மூன்று படிகநீர் மூலக்கூறுகள் உள்ள உப்பாகவோ விற்கப்படலாம்; வணிகப் பொருளின் அளவறி தூய்மை பெரும்பாலும் 100 சதவீதத்திற்குக் குறைவாக இருக்கும். தவறான வேதியியல் வாய்ப்பாட்டு நிறையிலிருந்து கணக்கிடப்படும் பெயரளவு C0, ஒவ்வொரு qe மதிப்பிலும் முறையான பிழையை ஏற்படுத்தும்.

பொருத்தப்பட்ட வளைவுகள் எதைக் கூறுகின்றன, எதைக் கூறுவதில்லை

லாங்மியர் பொருத்தம் qe-ஐ qmax times KL times Ce divided by (1 plus KL times Ce) என்று எழுதுகிறது. இது mg/g-இல் பொருத்தப்பட்ட நிறைவுக் கொள்ளளவு qmax-ஐயும் L/mg-இல் ஈர்ப்பு மாறிலி KL-ஐயும் அளிக்கிறது. நல்ல பொருத்தம் என்பது இந்தக் குறிப்பிட்ட நிறைவு வளைவு, அளவிடப்பட்ட செறிவு வரம்பை நன்றாக விவரிக்கிறது என்பதைக் குறிக்கும். கார்பனில் ஒரே சீரான வகையைச் சேர்ந்த பரப்புக்கவர்தல் இடங்கள் உள்ளன என்பதையோ, படிவு கண்டிப்பாக ஒற்றை அடுக்காக உள்ளது என்பதையோ, குறிப்பிட்ட மூலக்கூறு செயல்முறை இயங்குகிறது என்பதையோ அது நிரூபிக்காது. சீரற்ற தன்மையுள்ள துளைமிக்க கார்பன்கள், குறுகிய வரம்புகளில் லாங்மியர் வடிவ வளைவுகளை வழக்கமாக உருவாக்குகின்றன.

ஃப்ராய்ண்ட்லிச் பொருத்தம் qe-ஐ KF times Ce to the power 1/n என்று எழுதுகிறது. KF அனுபவத் தரவு சார்ந்த கொள்ளளவின் அளவுகோலை நிர்ணயிக்கிறது; 1/n வளைவுத்தன்மையை நிர்ணயிக்கிறது. இந்த வடிவத்திற்கு வரையறுக்கப்பட்ட நிறைவு மட்டம் இல்லாததால், qmax-ஐ உருவாக்குவதற்காக இதை ஒருபோதும் அளவிடப்பட்ட வரம்புக்கு அப்பால் நீட்டிக்கக் கூடாது. சிறந்த ஃப்ராய்ண்ட்லிச் பொருத்தம் என்பது, அதன் உயர்ந்துசெல்லும் வடிவம் அளவிடப்பட்ட இடைவெளியுடன் சிறப்பாகப் பொருந்துகிறது என்பதை மட்டுமே குறிக்கும். எந்தச் சமன்பாடு பயன்படுத்தப்பட்டாலும், அதன் அசல் வடிவில் நேரியலற்ற பின்னடைவைப் பயன்படுத்துவதற்கு முன்னுரிமை கொடுங்கள்; ஏனெனில் நேரியலாக்க மாற்றங்கள் பிழைகளைத் திரிக்கின்றன. R வர்க்கத்தை மட்டும் நம்பாமல், எஞ்சிய வேறுபாடுகளையும் ஆராயுங்கள்.

914 சோதனைகள் கற்றுத்தருவது

75 ஆய்வுக் கட்டுரைகளிலிருந்து பெறப்பட்ட 914 சோதனைகளின் இயந்திரக் கற்றல் பகுப்பாய்வு, களிமண்கள், சாம்பல்கள், காரத்தால் செயலூக்கப்பட்ட பொருட்கள் ஆகியவற்றில் மெத்திலீன் நீலத்தின் ஏற்பளவை கிரேடியன்ட் பூஸ்டிங் பின்னடைவு மரங்களைக் கொண்டு மாதிரியாக்கியது. அதன் முக்கிய முடிவு: தெரிவிக்கப்பட்ட ஏற்பளவை முன்னறிவிப்பதில் தொடக்கச் சாயச் செறிவே ஆதிக்கம் செலுத்தியது. pH, மூலப்பொருளின் அடையாளம், மாற்றியமைத்த வகை ஆகியவையும் முக்கியமானவை. மேலும் செறிவுக்கும் பயன்படுத்திய அளவு, பரப்பளவு, தொடர்பு நேரம், கலக்குதல் உள்ளிட்ட ஏறக்குறைய மற்ற எல்லா மாறிகளுக்கும் இடையே வலுவான பரஸ்பர விளைவுகள் இருந்தன.

இரண்டு எச்சரிக்கைகள் இந்தக் கண்டுபிடிப்பைப் பயனுள்ளதாக்குகின்றன. முதலாவதாக, அந்த ஆய்வில் செயலூக்கப்பட்ட கார்பன் இடம்பெறவில்லை; ஆகவே கார்பனுக்கான மாறிகளை அதனால் தரவரிசைப்படுத்த முடியாது. இரண்டாவதாக, அதன் பாடம் ஆய்வுமுறை சார்ந்தது; அதை இங்கும் நேரடியாகப் பயன்படுத்தலாம்: தொடக்கச் செறிவு ஒருபோதும் முக்கியமற்ற இடையூறு மாறி அல்ல. செயல்பாட்டு நிலைமைகளும் பொருளின் பண்புகளும் மிக வலுவாக ஒன்றையொன்று பாதிப்பதால், எந்த முதன்மையான mg/g தரவரிசையும் அதற்குரிய நிலைமைகளை நீக்கிவிட்டால் பொருள் இழக்கும். அடிப்படைக் கோட்பாடுகளிலிருந்து கணக்கீட்டு எடுத்துக்காட்டும் இதே முடிவைத்தான் அடைகிறது.

இனி செய்யக்கூடாத இரண்டு தவறுகள்

முதலாவதாக, அகற்றப்பட்ட சதவீதத்தைக் கொள்ளளவாகத் தெரிவிப்பதை நிறுத்துங்கள். அதிக கார்பன் அளவு, குறைந்த செறிவுள்ள கரைசலின் நிறத்தை 99 சதவீதம் நீக்கியும் ஒரு கிராமிற்கு சில மில்லிகிராம்கள் மட்டுமே தக்கவைக்கலாம். அதிகச் செறிவுள்ள கரைசலில் குறைந்த கார்பன் அளவு, ஒரு கிராமிற்கு நூற்றுக்கணக்கான மில்லிகிராம்களைத் தக்கவைத்தும் கண்ணுக்குத் தெரியும் நிறத்தை விட்டுவைக்கலாம். எப்போதும் C0, Ce, V, m, g/L-இல் பயன்படுத்திய அளவு, அகற்றப்பட்ட சதவீதம், qe ஆகியவற்றை ஒன்றாகத் தெரிவியுங்கள்; இல்லையெனில் அந்த மதிப்பை மீண்டும் பயன்படுத்த முடியாது.

இரண்டாவதாக, இயக்கவியல் அளவீட்டில் நிலையான மட்டம் எட்டப்பட்டதைக் காட்டாமல், ஒரு நிர்ணயிக்கப்பட்ட நேரத்தில் பெறப்பட்ட மதிப்பை qe என்று அழைப்பதை நிறுத்துங்கள். சாயத்தின் லேபிளில் குறிப்பிடப்பட்ட நிறையை அடிப்படையாகக் கொண்டு அதன் செறிவை நிர்ணயிப்பதையும் நிறுத்துங்கள். காலவரிசை அளவீடுகளால் சமநிலையை உறுதிப்படுத்துங்கள். படிகநீர் மற்றும் அளவறி தூய்மைச் சிக்கல்களைக் கருத்தில் கொண்டு, லேபிளை நம்பி எடைபோட்ட அளவைச் சார்ந்திருப்பதற்குப் பதிலாக நிறமாலை ஒளியளவீட்டின் மூலம் செறிவைச் சரிபாருங்கள். pH, வெப்பநிலை, துகள் அளவு, கலக்குதல் ஆகியவற்றைக் கட்டுப்படுத்துங்கள். இந்த விவரங்களுடன் பதிவுசெய்யப்பட்ட மெத்திலீன் நீலக் கொள்ளளவு, பிற சூழல்களிலும் பயன்படுத்தக்கூடிய அளவீடாகும். அவை இல்லாமல் அது ஒரு தனிப்பட்ட அனுபவக் குறிப்பு மட்டுமே.