మిథిలీన్ బ్లూ అధిశోషణ పరీక్షలు మరియు సక్రియ కార్బన్: పరీక్ష నిర్వహణ మరియు ఫలితాన్ని అర్థం చేసుకోవడం

ఒక ప్రయోగశాల రెండు సక్రియ కార్బన్‌లను పోలుస్తుంది. ఒక సాంకేతిక సమాచార పత్రం, మరోదానితో పోలిస్తే మూడు రెట్లు ఎక్కువ మిథిలీన్ బ్లూ విలువను పేర్కొంటుంది. ప్రయోగశాల ఎక్కువ విలువ ఉన్న కార్బన్‌ను కొనుగోలు చేసి, ఆ విలువ ఆధారంగా కార్బన్ మోతాదును నిర్ణయిస్తుంది. కానీ రంగు ఊహించినదానికంటే ముందే కార్బన్‌ను దాటి బయటకు రావడం మొదలవుతుంది. ఏ సమాచారాన్నీ తారుమారు చేయలేదు. ఆ రెండు విలువలు వేర్వేరు పరీక్షల నుంచి వచ్చాయి. కొనుగోలుదారు వాటిని ఒకే పరిమాణానికి సంబంధించినవిగా అర్థం చేసుకున్నాడు.

ఈ వ్యాసం ఆ అర్థీకరణ లోపాన్ని సరిచేస్తుంది. పరీక్ష ఏమి కొలుస్తుందో వివరిస్తుంది, వాస్తవ సంఖ్యలతో రెండుసార్లు గణనను చూపిస్తుంది, ఫలితాన్ని మార్చే ప్రతి చరరాశిని పేర్కొంటుంది. వేర్వేరు అధిశోషకాలను పరస్పరం పోల్చి ర్యాంక్ చేయడమనే అనుబంధ సమస్యను విడిగా చర్చిస్తాం. ఇక్కడ అంశం ఒక పదార్థ వర్గం మరియు ఒక పరీక్షా పద్ధతి.

ఈ రంగును పరీక్షా సూచకంగా ఎందుకు ఉపయోగిస్తారు

మిథిలీన్ బ్లూ ఒక ధనావేశిత, సమతల సుగంధ వలయ నిర్మాణం గల రంగు పదార్థం. నీటిలో ఇది ధనావేశిత అయాన్‌గా ఉంటుంది. దాని అణువు పరిమాణాలు సుమారు 1.43 by 0.61 by 0.40 nm. ఈ పరిమాణమే దానిని ఉపయోగించడానికి కారణం. మరో సాంప్రదాయ పరీక్షా సూచకమైన అయోడిన్ చాలా చిన్నది. అది సన్నని సూక్ష్మరంధ్రాల్లోకి ప్రవేశిస్తుంది. అందువల్ల అయోడిన్ సంఖ్య సూక్ష్మరంధ్రాల అభివృద్ధిని సూచిస్తుంది. మిథిలీన్ బ్లూకు మరింత వెడల్పైన ప్రవేశ మార్గాలు అవసరం: ఇది సుమారు 0.75 nm కంటే పెద్ద రంధ్రాల్లోకి ప్రవేశిస్తుంది. సుమారు 1.4 నుంచి 3 nm పరిమాణం గల రంధ్రాలు దాని గ్రహణానికి ముఖ్యంగా తోడ్పడతాయి. ఈ పరిమాణ పరిధిలో పెద్ద సూక్ష్మరంధ్రాలు, చిన్న మధ్యస్థ రంధ్రాలు రెండూ ఉంటాయి. కాబట్టి ఈ పరీక్షను కేవలం మధ్యస్థ రంధ్రాల సూచకంగా పేర్కొనడం అతిగా సరళీకరించడమే. ఈ రెండు పరీక్షా సూచకాలు పరస్పరం పూరకాలు. ఎంత సూక్ష్మ రంధ్ర నిర్మాణం ఉందో అయోడిన్ తెలియజేస్తుంది. పెద్ద సేంద్రీయ అణువును అనుమతించే రంధ్ర స్థలం ఎంత ఉందో మిథిలీన్ బ్లూ తెలియజేస్తుంది. రంగు తొలగింపులో ముఖ్యమైన ప్రశ్న అదే. ఈ రెండు సంఖ్యల్లో ఏదీ, ఇతర అణువుల గ్రహణాన్ని ఒంటరిగా అంచనా వేయదు.

పరిమాణంతో సమానంగా విద్యుదావేశం కూడా ముఖ్యమైనది. ఈ రంగు ధనావేశితమైనందున, ఇది ఋణావేశిత ఉపరితలాలవైపు ఆకర్షితమవుతుంది. ధనావేశిత ఉపరితలాల నుంచి వికర్షితమవుతుంది. అందువల్ల pH కేవలం చిన్న గమనికగా వదిలేయాల్సిన అంశం కాదు, ప్రధాన చరరాశి. దిగువ ప్రయోగాలు దీనిని చూపిస్తాయి.

బ్యాచ్ పరీక్షను ఎలా నిర్వహిస్తారు

సాధారణ ప్రయోగశాల పద్ధతి బ్యాచ్ సమతుల్యీకరణ. కార్బన్‌ను పరీక్షకు సిద్ధం చేసి, జల్లెడతో వేరు చేసి, నియంత్రిత కణ పరిమాణ పరిధిని పొందండి. తెలిసిన ద్రవ్యరాశి m ను తూకం వేయండి. ప్రారంభ సాంద్రత C0 ఉన్న రంగు ద్రావణాన్ని తెలిసిన ఘనపరిమాణం V లో చేర్చండి. pH, ఉష్ణోగ్రతలను స్థిరంగా ఉంచి, ధృవీకరించిన సమయం వరకు కలపండి. తర్వాత వడపోత లేదా అపకేంద్రీకరణ ద్వారా కార్బన్‌ను వేరు చేయండి. అదే పరికరంపై సిద్ధం చేసిన క్రమాంకన ద్రావణ శ్రేణితో పోల్చి, UV-Vis కాంతి శోషణ ద్వారా మిగిలిన సాంద్రత Ce ను నిర్ణయించండి. సాధారణంగా 660 నుంచి 665 nm సమీపంలో, తరచుగా 664 nm వద్ద కొలుస్తారు. ప్రచురితమైన ఒక విధానంలో 0.050 g కార్బన్‌తో 50 mL ద్రావణాన్ని ఉపయోగించారు. సాంద్రత పరిధి 10 నుంచి 1000 mg/L, సమయం 24 గంటలు, ఉష్ణోగ్రత 25 C, కొలత తరంగదైర్ఘ్యం 660 nm. అన్నింటికీ వర్తించే ఒకే పరీక్షా విధానం లేదు. కాబట్టి కార్బన్ మోతాదు, సాంద్రత పరిధి, సమయం, ఉష్ణోగ్రత, pH, తరంగదైర్ఘ్యం లేకుండా నివేదించిన విలువ ఒక ఫలితం కాదు. అది వదంతి.

కాంతి శోషణ ఆధారంగా రంగును కొలిచే పద్ధతిలో వివరించినంత క్రమశిక్షణ పరిమాణ నిర్ధారణలోనూ అవసరం: మీ పరికరంపైనే క్రమాంకనం చేయండి, గరిష్ఠ శోషణ తరంగదైర్ఘ్యం 664 nm అని ఊహించకుండా ధృవీకరించండి, అధిక సాంద్రత గల పై ద్రవాలను పలుచబెట్టి రేఖీయ పరిధిలోకి తీసుకురండి.

ఉదాహరణలతో గణన

సామర్థ్యాన్ని ద్రవ్యరాశి సమతుల్యం నుంచి పొందుతారు. ద్రావణం నుంచి తగ్గిన రంగు కార్బన్‌పై ఉంటుంది:

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

ఇక్కడ qe అనేది mg/g లో సమతుల్య గ్రహణం, C0 మరియు Ce అనేవి mg/L లో ప్రారంభ మరియు సమతుల్య సాంద్రతలు, V అనేది లీటర్లలో ఘనపరిమాణం, m అనేది గ్రాముల్లో కార్బన్ ద్రవ్యరాశి.

మొదటి బిందువు. C0 = 100 mg/L, V = 0.100 L, m = 0.0200 g తో ప్రారంభించండి. సమతుల్యీకరణ తర్వాత పరికరం Ce = 35 mg/L అని చూపిస్తుంది. అప్పుడు qe = (100 minus 35) times 0.100 divided by 0.0200 = 65 times 0.100 divided by 0.0200 = 325 mg/g. తొలగింపు శాతం (100 minus 35) divided by 100 times 100 = 65 percent.

రెండవ బిందువు, అదే కార్బన్ మోతాదు మరియు ఘనపరిమాణం, ఎక్కువ రంగు భారం. C0 = 200 mg/L తో ప్రారంభించి, Ce = 90 mg/L గా కొలవండి. అప్పుడు qe = (200 minus 90) times 0.100 divided by 0.0200 = 550 mg/g, కాగా తొలగింపు (200 minus 90) divided by 200 times 100 = 55 percent.

ఈ రెండు జతలు, (Ce = 35, qe = 325) మరియు (Ce = 90, qe = 550), ఒక సమతాప వక్రంలోని రెండు బిందువులు. వ్యతిరేక దిశల్లో మార్పును గమనించండి: సామర్థ్యం 325 నుంచి 550 mg/g కు పెరిగింది, కానీ తొలగింపు 65 నుంచి 55 శాతానికి తగ్గింది. సాంద్రత పెరిగేకొద్దీ సామర్థ్యం, తొలగింపు శాతం వ్యతిరేక దిశల్లో మారుతాయి. వేర్వేరు కార్బన్ మోతాదులు లేదా సాంద్రతల వద్ద కొలిచిన తొలగింపు శాతం ఆధారంగా కార్బన్‌లకు ర్యాంక్ ఇచ్చేవారు ప్రయోగానికి ర్యాంక్ ఇస్తున్నారు, పదార్థానికి కాదు.

మీరు నియంత్రించాల్సిన చరరాశులు

దిగువ ప్రతి అంశం విలువను మారుస్తుంది. ప్రతిదానిని స్థిరంగా ఉంచండి లేదా నమోదు చేయండి.

కార్బన్ మోతాదు. ఎక్కువ కార్బన్ అంటే ఎక్కువ అధిశోషణ స్థానాలు. కాబట్టి తొలగింపు శాతం పెరుగుతుంది. అయితే గ్రహించిన రంగు ఎక్కువ ద్రవ్యరాశిపై విస్తరిస్తుంది కాబట్టి, గ్రాముకు గ్రహణం సాధారణంగా తగ్గుతుంది. మోతాదును g/L లో, దానిని లెక్కించడానికి ఉపయోగించిన V మరియు m తోపాటు నివేదించండి.

ప్రారంభ సాంద్రత. ఎక్కువ C0 అధిశోషణకు మరింత చోదక శక్తిని అందిస్తుంది. కాబట్టి qe పెరుగుతుంది. అదే సమయంలో స్థానాలు సంతృప్తమయ్యేకొద్దీ తొలగింపు శాతం తగ్గుతుంది. 5 నుంచి 50 mg/L పరిధిలో, 100 నుంచి 400 mg/L పరిధిలో సరిపోల్చిన సమతాప వక్రాలు వేర్వేరు వక్ర భాగాలను వివరిస్తాయి. ఉమ్మడిగా ఉన్న పరిధుల్లో మాత్రమే నమూనాతో లెక్కించిన సామర్థ్యాలను పోల్చండి.

pH. ఈ ధనావేశిత రంగు గ్రహణం సాధారణంగా pH తోపాటు పెరుగుతుంది. ముఖ్యంగా కార్బన్ నికర విద్యుదావేశం శూన్యమయ్యే బిందువుకు పైగా pH ఉన్నప్పుడు, ఉపరితలం నికర ఋణావేశాన్ని పొందుతుంది కాబట్టి గ్రహణం పెరుగుతుంది. తక్కువ pH ఉపరితల స్థానాలను ప్రోటోనీకరిస్తుంది. హైడ్రోజన్ అయాన్‌లు ఆ స్థానాల కోసం పోటీ పడేలా చేస్తుంది. ఈ ప్రభావం పరిమాణం కార్బన్‌ను బట్టి మారుతుంది: ఒక సక్రియ కార్బన్ అధ్యయనంలో గ్రహణం pH 2 వద్ద సుమారు 51 mg/g నుంచి pH 8 వద్ద సుమారు 92 mg/g కు పెరిగింది. ప్రారంభ మరియు సమతుల్య pH లతోపాటు ద్రావణంలో ఉన్న ఇతర లవణాలను నమోదు చేయండి. ఎందుకంటే pH మార్చే విద్యుత్ బలాలనే అయానిక బలం బలహీనపరుస్తుంది.

సంపర్క సమయం. గ్రహణం మొదట వేగంగా పెరిగి, తర్వాత స్థిరపడుతుంది. స్థిరస్థాయి విలువ మాత్రమే qe; దానికి ముందు కొలిచిన ఏ విలువైనా qt. వేర్వేరు కార్బన్‌లకు ప్రచురితమైన సమతుల్యీకరణ సమయాలు కొన్ని నిమిషాల నుంచి అనేక గంటల వరకు ఉంటాయి. కొన్ని ప్రామాణిక విధానాల్లో 24 గంటల సంపర్క సమయం ఉంటుంది. రెండు గంటలు సరిపోతాయని ఊహించకుండా, మీ కార్బన్‌కు కాలానుగుణ గ్రహణాన్ని పరిశీలించి స్థిరస్థాయిని నిర్ణయించండి.

ఉష్ణోగ్రత. అన్ని వ్యవస్థల్లో ఒకే దిశలో మార్పు ఉండదు. ఉష్ణగ్రాహక వ్యవస్థల్లో ఉష్ణోగ్రతతోపాటు గ్రహణం పెరుగుతుంది. ఉష్ణవిమోచక వ్యవస్థల్లో తగ్గుతుంది. కాబట్టి ఊహించకుండా కొలవండి.

కణ పరిమాణం మరియు కలపడం. చిన్న కణాలు వ్యాపన మార్గాలను తగ్గించి, సాధారణంగా గ్రహణాన్ని వేగవంతం చేస్తాయి. మరింత బలంగా కలపడం కణాల చుట్టూ ఉన్న నిశ్చల ద్రవ పొరను పలుచబెట్టి, అదే ప్రభావాన్ని కలిగిస్తుంది. రెండూ వేగాన్ని మారుస్తాయి, సమతుల్యాన్ని కాదు. కలిపే వేగంతో సామర్థ్యం మారుతుంటే, సమతుల్య స్థితిని చేరుకోలేదని అది హెచ్చరిస్తుంది.

రియాజెంట్ గుర్తింపు వివరాలను కూడా నమోదు చేయాలి. అందుకే కార్బన్ ద్రవ్యరాశితోపాటు రంగు స్వచ్ఛత మరియు నిర్దేశాల తనిఖీలు కూడా అవసరం: మిథిలీన్ బ్లూ సుమారు 319.9 g/mol గల నిర్జల లవణంగా లేదా 373.90 g/mol గల ట్రైహైడ్రేట్‌గా విక్రయించబడవచ్చు. వాణిజ్య ఉత్పత్తిలో అసే విలువ తరచుగా 100 శాతం కంటే తక్కువగా ఉంటుంది. తప్పు ఫార్ములా ద్రవ్యరాశిని ఉపయోగించి లెక్కించిన నామమాత్ర C0 వల్ల ప్రతి qe లోనూ క్రమబద్ధమైన లోపం ఏర్పడుతుంది.

సరిపోల్చిన వక్రాలు ఏమి చెబుతాయి, ఏమి చెప్పవు

లాంగ్‌మ్యూర్ నమూనాలో qe ను qmax times KL times Ce divided by (1 plus KL times Ce) గా వ్రాస్తారు. ఇది mg/g లో నమూనాతో లెక్కించిన సంతృప్త సామర్థ్యం qmax ను, L/mg లో ఆకర్షణ స్థిరాంకం KL ను ఇస్తుంది. మంచి సరిపోలిక అంటే ఈ నిర్దిష్ట సంతృప్త వక్రం కొలిచిన సాంద్రత పరిధిని బాగా వివరిస్తుందని అర్థం. కార్బన్‌లో ఒకే రకమైన స్థానాల సమూహం ఉందని, రంగు కవరేజీ ఖచ్చితంగా ఒకే అణు పొరగా ఉందని, లేదా ఏదైనా నిర్దిష్ట అణు స్థాయి యంత్రాంగం పనిచేస్తోందని అది నిరూపించదు. భిన్న లక్షణాలున్న రంధ్రయుక్త కార్బన్‌లు పరిమిత పరిధుల్లో తరచుగా లాంగ్‌మ్యూర్ ఆకారంలోని వక్రాలను ఇస్తాయి.

ఫ్రాయిండ్లిష్ నమూనాలో qe ను KF times Ce to the power 1/n గా వ్రాస్తారు. KF అనుభవాధారిత సామర్థ్య ప్రమాణాన్ని, 1/n వక్రతను నిర్ణయిస్తాయి. ఈ రూపంలో పరిమిత స్థిరస్థాయి ఉండదు కాబట్టి, కొలిచిన పరిధికి మించి దానిని పొడిగించి qmax ను కల్పించకూడదు. ఫ్రాయిండ్లిష్ నమూనా మెరుగ్గా సరిపోతే, దాని పెరుగుతున్న ఆకారం కొలిచిన పరిధికి మరింత బాగా సరిపోతుందని మాత్రమే అర్థం. ఏ సమీకరణం ఉపయోగించినా, అసలు రూపంపై అరేఖీయ రిగ్రెషన్‌కు ప్రాధాన్యం ఇవ్వండి. ఎందుకంటే రేఖీయీకరించిన పరివర్తనలు లోపాలను వక్రీకరిస్తాయి. R squared ను మాత్రమే నమ్మకుండా అవశేషాలను పరిశీలించండి.

914 ప్రయోగాలు నేర్పేది

75 పరిశోధనా పత్రాల్లోని 914 ప్రయోగాలపై యంత్ర అభ్యాస విశ్లేషణ, గ్రేడియెంట్ బూస్టెడ్ రిగ్రెషన్ ట్రీలను ఉపయోగించి బంకమట్టి పదార్థాలు, బూడిదలు, క్షారంతో సక్రియం చేసిన పదార్థాల్లో మిథిలీన్ బ్లూ గ్రహణాన్ని నమూనీకరించింది. దాని ప్రధాన ఫలితం: నివేదించిన గ్రహణాన్ని అంచనా వేయడంలో ప్రారంభ రంగు సాంద్రత అత్యంత ప్రభావవంతమైన చరరాశి. pH, ముడి పదార్థం రకం, మార్పు విధానం కూడా ముఖ్యమైనవి. సాంద్రతకు, కార్బన్ మోతాదు, ఉపరితల వైశాల్యం, సంపర్క సమయం, కలపడం సహా దాదాపు ప్రతి ఇతర చరరాశికి మధ్య బలమైన పరస్పర ప్రభావాలు ఉన్నాయి.

రెండు పరిమితులను గుర్తిస్తే ఈ పరిశోధన ఫలితం ఉపయోగకరంగా ఉంటుంది. మొదటిది, ఆ అధ్యయనంలో సక్రియ కార్బన్ లేదు. కాబట్టి కార్బన్‌పై చరరాశుల ప్రాధాన్య క్రమాన్ని అది నిర్ణయించలేదు. రెండవది, దాని పాఠం పరిశోధనా పద్ధతికి సంబంధించినది. దానిని ఇక్కడ కూడా నేరుగా వర్తింపజేయవచ్చు: ప్రారంభ సాంద్రతను ఎప్పుడూ అవాంఛిత చరరాశిగా పక్కన పెట్టలేం. నిర్వహణ పరిస్థితులు పదార్థ లక్షణాలతో బలంగా పరస్పరం ప్రభావితం అవుతాయి. అందువల్ల ఆ పరిస్థితుల వివరాలను తీసివేస్తే, ప్రధానంగా చూపించే ఏ mg/g ర్యాంకింగ్‌కూ అర్థం ఉండదు. ప్రాథమిక సూత్రాల నుంచి ఉదాహరణ గణన కూడా అదే నిర్ధారణకు చేరుకుంటుంది.

ఇకపై చేయకూడని రెండు తప్పులు

మొదటిది, తొలగింపు శాతాన్ని సామర్థ్యంగా నివేదించడం మానేయండి. తక్కువ సాంద్రత గల ద్రావణంలో అధిక కార్బన్ మోతాదు, గ్రాముకు కొన్ని మిల్లీగ్రాములనే నిలుపుకుంటూ 99 శాతం రంగును తొలగించగలదు. అధిక సాంద్రత గల ద్రావణంలో తక్కువ కార్బన్ మోతాదు, గ్రాముకు వందల మిల్లీగ్రాములను నిలుపుకుంటున్నా కనిపించే రంగును మిగల్చవచ్చు. C0, Ce, V, m, g/L లో కార్బన్ మోతాదు, తొలగింపు శాతం, qe ను ఎల్లప్పుడూ కలిపి నివేదించండి. లేకపోతే ఆ విలువను మళ్లీ ఉపయోగించలేం.

రెండవది, కాలానుగుణ గ్రహణంలో స్థిరస్థాయిని చూపించకుండా, నిర్ణీత సమయంలో కొలిచిన విలువను qe అని పిలవడం మానేయండి. లేబుల్‌పై పేర్కొన్న బరువు ఆధారంగా రంగు ద్రావణాన్ని ప్రామాణీకరించడం కూడా మానేయండి. కాల శ్రేణి కొలతలతో సమతుల్యాన్ని ధృవీకరించండి. హైడ్రేట్ మరియు అసే సమస్యల దృష్ట్యా, లేబుల్ ఆధారంగా తూచిన బరువును నమ్మకుండా స్పెక్ట్రోఫోటోమెట్రీ ద్వారా సాంద్రతను ధృవీకరించండి. pH, ఉష్ణోగ్రత, కణ పరిమాణం, కలపడాన్ని నియంత్రించండి. ఈ వివరాలతో కూడిన మిథిలీన్ బ్లూ సామర్థ్యం ఇతర సందర్భాల్లో ఉపయోగించగల కొలత. అవి లేకపోతే అది కేవలం ఒక అనుభవ వర్ణన.