Санҷиши адсорбсияи кабуди метилен: иқтидори ангишти фаъол

Озмоишгоҳ ду навъи ангишти фаъолро муқоиса мекунад. Дар варақаи маълумоти яке қимати кабуди метилен се маротиба бештар аз дигарӣ нишон дода шудааст. Озмоишгоҳ ангиштеро мехарад, ки қимати баландтар дорад, миқдори онро аз рӯйи ҳамин қимат муайян мекунад ва рангмодда барвақт аз қабати ангишт мегузарад. Ҳеҷ чиз сохтакорӣ нашуда буд. Ин ду қимат аз санҷишҳои гуногун гирифта шуда буданд, вале харидор онҳоро як бузургӣ пиндошт.

Ин мақола ҳамин хатои тафсирро ислоҳ мекунад. Он мефаҳмонад, ки санҷиш чиро чен мекунад, ҳисобро ду бор бо рақамҳои воқеӣ иҷро мекунад ва ҳамаи тағйирёбандаҳоеро номбар мекунад, ки натиҷаро тағйир медиҳанд. Масъалаи ҳамроҳи он — муқоиса ва дараҷабандии адсорбентҳои гуногун — алоҳида баррасӣ мешавад; мавзӯи ин ҷо як синфи мавод ва як усул аст.

Чаро ин рангмодда ҳамчун зонд истифода мешавад

Кабуди метилен рангмоддаи катионӣ бо сохтори ҳамвор ва ароматӣ мебошад. Дар об он ҳамчун иони мусбатзаряд мавҷуд аст ва андозаҳои молекулааш тақрибан 1.43 ба 0.61 ба 0.40 nm мебошанд. Маҳз ҳамин андоза муҳим аст. Йод, зонди дигари классикӣ, хеле хурдтар аст ва ба микросӯрохиҳои танг ворид мешавад, бинобар ин адади йод дараҷаи рушди микросӯрохиҳоро нишон медиҳад. Кабуди метилен ба даромадгоҳҳои васеътар ниёз дорад: он ба сӯрохиҳои калонтар аз тақрибан 0.75 nm ворид мешавад ва сӯрохиҳои тақрибан 1.4 то 3 nm саҳми муҳим доранд. Ин андозаҳо микросӯрохиҳои калонтар ва мезосӯрохиҳои хурдро фаро мегиранд, бинобар ин санҷишро танҳо зонди мезосӯрохиҳо номидан содагардонии аз ҳад зиёд аст. Ин ду зонд якдигарро пурра мекунанд. Йод нишон медиҳад, ки чӣ қадар сӯрохнокии майда вуҷуд дорад. Кабуди метилен нишон медиҳад, ки чӣ қадар фазои сӯрохиҳо молекулаи калони органикиро қабул мекунад — саволе, ки барои хориҷ кардани рангмодда муҳим аст. Ҳеҷ яке аз ин қиматҳо мустақилона ҷаббиши молекулаҳои дигарро пешгӯӣ намекунад.

Заряд ба андоза баробар аҳамият дорад. Азбаски рангмодда катионӣ аст, онро сатҳҳои манфизаряд ҷалб мекунанд ва сатҳҳои мусбатзаряд тела медиҳанд. Аз ин рӯ, pH тағйирёбандаи асосӣ аст, на ҷузъиёти дуюмдараҷа; таҷрибаҳои дар поён овардашуда инро нишон медиҳанд.

Санҷиши даврӣ чӣ гуна гузаронида мешавад

Шакли стандартии озмоишгоҳӣ ба мувозинат расонидан дар низоми даврӣ аст. Ангиштро барои санҷиш омода кунед, онро аз элак гузаронед, то фраксияи зарраҳо бо андозаи муайян ба даст ояд, ва массаи маълум — m-ро баркашед. Ҳаҷми маълум — V-и маҳлули рангмоддаро бо консентратсияи ибтидоии C0 илова кунед. pH ва ҳароратро доимӣ нигоҳ доред, дар давоми вақти санҷидашуда омехта кунед, сипас ангиштро бо филтркунӣ ё сентрифугакунӣ ҷудо намоед. Консентратсияи боқимондаи Ce-ро аз рӯйи зичии оптикӣ дар UV-Vis, одатан наздики 660 то 665 nm ва аксаран дар 664 nm, бо истифода аз силсилаи маҳлулҳои калибровкавии дар ҳамон асбоб омодашуда муайян кунед. Дар як тартиби нашршуда 0.050 g ангишт бо 50 mL маҳлул дар доираи 10 то 1000 mg/L истифода шуда, тамос 24 соат дар 25 C давом дошт ва ченкунӣ дар 660 nm анҷом дода шуд. Протоколи ягонаи умумӣ вуҷуд надорад, бинобар ин қимате, ки бе миқдори ангишт, доираи консентратсия, вақт, ҳарорат, pH ва дарозии мавҷ гузориш дода мешавад, натиҷа нест. Он овоза аст.

Муайянкунии миқдорӣ низ ҳамон риояи қатъии қоидаҳоро талаб мекунад, ки барои ченкунии рангмодда аз рӯйи зичии оптикӣ тавсиф шудааст: асбоби худро калибровка кунед, ба ҷойи фарз кардани 664 nm қуллаи ҷаббишро тасдиқ намоед ва моеъи рӯйии консентратсияаш баландро то ба доираи хаттӣ расидан тунук кунед.

Ҳисоб бо мисолҳо

Иқтидор аз тавозуни масса ба даст меояд. Рангмоддае, ки аз маҳлул кам шудааст, дар рӯйи ангишт ҷой гирифтааст:

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

Дар ин ҷо qe миқдори адсорбшуда дар ҳолати мувозинат бо mg/g, C0 ва Ce консентратсияҳои ибтидоӣ ва мувозинатӣ бо mg/L, V ҳаҷм бо литр ва m массаи ангишт бо грамм мебошанд.

Нуқтаи аввал. Бо C0 = 100 mg/L, V = 0.100 L, m = 0.0200 g оғоз кунед. Пас аз расидан ба мувозинат асбоб Ce = 35 mg/L-ро нишон медиҳад. Пас qe = (100 minus 35) times 0.100 divided by 0.0200 = 65 times 0.100 divided by 0.0200 = 325 mg/g. Фоизи хориҷшавӣ чунин аст: (100 minus 35) divided by 100 times 100 = 65 фоиз.

Нуқтаи дуюм: ҳамон миқдори ангишт ва ҳаҷм, вале сарбории баландтар. Бо C0 = 200 mg/L оғоз кунед ва Ce = 90 mg/L-ро чен намоед. Пас qe = (200 minus 90) times 0.100 divided by 0.0200 = 550 mg/g, дар ҳоле ки хориҷшавӣ чунин аст: (200 minus 90) divided by 200 times 100 = 55 фоиз.

Ин ду ҷуфт, (Ce = 35, qe = 325) ва (Ce = 90, qe = 550), ду нуқтаи изотерма мебошанд. Ба рафтори муқобили онҳо диққат диҳед: иқтидор аз 325 то 550 mg/g боло рафт, дар ҳоле ки хориҷшавӣ аз 65 то 55 фоиз поён омад. Бо афзоиши консентратсия иқтидор ва фоизи хориҷшавӣ ба самтҳои муқобил тағйир меёбанд. Ҳар касе, ки ангиштҳоро аз рӯйи фоизи хориҷшавии дар миқдорҳо ё консентратсияҳои гуногун ченшуда дараҷабандӣ мекунад, таҷрибаро дараҷабандӣ мекунад, на маводро.

Тағйирёбандаҳое, ки бояд назорат кунед

Ҳар банди зер қиматро тағйир медиҳад. Ҳар кадомро доимӣ нигоҳ доред ё сабт кунед.

Миқдори ангишт. Ангишти бештар маънои марказҳои бештари адсорбсиониро дорад, бинобар ин фоизи хориҷшавӣ меафзояд, вале миқдори адсорбшуда ба ҳар грамм одатан кам мешавад, зеро рангмоддаи гирифташуда дар массаи бештар тақсим мегардад. Миқдори ангиштро бо g/L ва ҳамроҳ бо V ва m-и барои ҳисоб истифодашуда гузориш диҳед.

Консентратсияи ибтидоӣ. C0-и баландтар қувваи пешбарандаи бештар фароҳам меорад, бинобар ин qe меафзояд, вале бо сер шудани марказҳо фоизи хориҷшавӣ кам мешавад. Изотермаҳое, ки дар доираҳои 5 то 50 mg/L ва 100 то 400 mg/L мутобиқ карда шудаанд, қисмҳои гуногуни каҷхатро тавсиф мекунанд. Иқтидорҳои аз мутобиқсозӣ бадастомадаро танҳо дар доираҳои ба ҳам мувофиқ муқоиса кунед.

pH. Барои ин рангмоддаи катионӣ ҷаббиш одатан бо афзоиши pH зиёд мешавад, махсусан болотар аз нуқтаи заряди сифрии ангишт, ки дар он заряди умумии сатҳ манфӣ мегардад. pH-и паст марказҳои сатҳиро протонӣ мекунад ва имкон медиҳад, ки ионҳои гидроген барои онҳо рақобат кунанд. Бузургии таъсир аз навъи ангишт вобаста аст: дар як таҳқиқоти ангишти фаъол миқдори адсорбшуда аз тақрибан 51 mg/g дар pH 2 то тақрибан 92 mg/g дар pH 8 афзуд. pH-и ибтидоӣ ва мувозинатиро ҳамроҳ бо намакҳои дар муҳит мавҷудбуда сабт кунед, зеро қувваи ионӣ ҳамон таъсироти электростатикиеро суст мекунад, ки pH онҳоро танзим менамояд.

Вақти тамос. Ҷаббиш аввал босуръат меафзояд, сипас ба сатҳи устувор мерасад. Танҳо қимати ин сатҳи устувор qe аст; ҳар қимати пештар гирифташуда qt мебошад. Вақтҳои мувозинатшавии нашршуда барои ангиштҳои гуногун аз чанд дақиқа то соатҳои зиёд фарқ мекунанд ва дар баъзе тартибҳои стандартӣ тамоси 24-соата истифода мешавад. Ба ҷойи фарз кардани он ки ду соат кофист, сатҳи устуворро барои ангишти худ бо таҳқиқи кинетикӣ муайян кунед.

Ҳарорат. Самти тағйирёбии умумӣ вуҷуд надорад. Дар низомҳои эндотермӣ ҷаббиш бо баланд шудани ҳарорат меафзояд ва дар низомҳои экзотермӣ кам мешавад, бинобар ин онро чен кунед, на ин ки фарз намоед.

Андозаи зарраҳо ва омехтакунӣ. Зарраҳои майдатар роҳҳои диффузияро кӯтоҳ мекунанд ва одатан ҷаббишро тезонанд; омехтакунии шадидтар қабати моеъи беҳаракатро дар атрофи зарраҳо тунук карда, ҳамин таъсирро мерасонад. Ҳар ду суръатро тағйир медиҳанд, на худи мувозинатро. Иқтидоре, ки аз суръати омехтакунӣ вобаста аст, нишонаи огоҳкунандаест, ки мувозинат ба даст наомадааст.

Навъ ва таркиби реагент низ бояд сабт шаванд; аз ҳамин сабаб санҷишҳои тозагӣ ва мушаххасоти рангмодда дар баробари массаи ангишт аҳамият доранд: кабуди метилен метавонад ҳамчун намаки беоб бо массаи молярии тақрибан 319.9 g/mol ё тригидрат бо 373.90 g/mol фурӯхта шавад ва миқдори моддаи асосӣ дар маҳсулоти тиҷоратӣ аксаран аз 100 фоиз камтар аст. C0-и номиналие, ки бо массаи молекулавии нодуруст ҳисоб шудааст, ҳамаи қиматҳои qe-ро ба таври систематикӣ нодуруст мекунад.

Каҷхатҳои мутобиқшуда чиро мегӯянд ва чиро намегӯянд

Мутобиқсозии Лангмюр qe-ро ҳамчун qmax times KL times Ce divided by (1 plus KL times Ce) ифода мекунад. Он иқтидори сершавии аз мутобиқсозӣ бадастомадаи qmax-ро бо mg/g ва доимии майли адсорбсионии KL-ро бо L/mg медиҳад. Мутобиқати хуб маънои онро дорад, ки ҳамин каҷхати сершавӣ доираи консентратсияҳои ченшударо хуб тавсиф мекунад. Он исбот намекунад, ки ангишт як маҷмӯи якхелаи марказҳо дорад, пӯшиши сатҳ қатъиян якқабата аст ё ягон механизми мушаххаси молекулавӣ амал мекунад. Ангиштҳои сӯрохноки ғайриякҷинс дар доираҳои маҳдуд аксаран каҷхатҳои шакли Лангмюрро медиҳанд.

Мутобиқсозии Фрейндлих qe-ро ҳамчун KF times Ce to the power 1/n ифода мекунад. KF миқёси эмпирикии иқтидорро муайян мекунад ва 1/n каҷиро танзим менамояд. Азбаски ин шакл сатҳи устувори ниҳоӣ надорад, онро ҳеҷ гоҳ набояд барои сохтани qmax-и тахминӣ берун аз доираи маълумот экстраполятсия кард. Мутобиқати беҳтари Фрейндлих танҳо маънои онро дорад, ки шакли афзояндаи он ба фосилаи ченшуда беҳтар мувофиқ меояд. Новобаста аз муодилаи истифодашуда, регрессияи ғайрихаттиро бо шакли аслӣ афзал донед, зеро табдилдиҳиҳои хаттикунанда хатогиҳоро таҳриф мекунанд; ба ҷойи танҳо ба R-квадрат такя кардан, боқимондаҳои моделро таҳлил кунед.

914 таҷриба чӣ меомӯзонанд

Таҳлили омӯзиши мошинӣ аз рӯйи 914 таҷриба аз 75 мақола ҷаббиши кабуди метиленро дар гилҳо, хокистарҳо ва маводи бо ишқор фаъолшуда бо истифода аз дарахтҳои регрессионии тақвиятёфтаи градиентӣ моделсозӣ кард. Натиҷаи асосӣ чунин буд: консентратсияи ибтидоии рангмодда пешгӯкунандаи бартаридоштаи ҷаббиши гузоришшуда буд; pH, навъи ашёи хом ва навъи тағйирдиҳӣ низ муҳим буданд. Ҳамчунин, байни консентратсия ва қариб ҳамаи тағйирёбандаҳои дигар, аз ҷумла миқдори адсорбент, масоҳати сатҳ, вақти тамос ва омехтакунӣ, таъсири мутақобили қавӣ вуҷуд дошт.

Ду маҳдудият ин натиҷаро барои истифодаи дуруст муфид нигоҳ медоранд. Аввалан, он таҳқиқот ангишти фаъолро фаро нагирифтааст, бинобар ин аз рӯйи он аҳамияти тағйирёбандаҳоро барои ангишт дараҷабандӣ кардан мумкин нест. Дуюм, дарси он методологӣ аст ва бевосита татбиқ мешавад: консентратсияи ибтидоӣ ҳеҷ гоҳ тағйирёбандаи нолозим нест ва шароити корӣ бо хосиятҳои мавод чунон қавӣ таъсири мутақобил дорад, ки ҳеҷ дараҷабандии умумӣ аз рӯйи mg/g бе маълумоти шароиташ эътибори худро нигоҳ намедорад. Ҳисоби мисолӣ низ аз рӯйи принсипҳои асосӣ ба ҳамин хулоса мерасад.

Ду хатое, ки дигар набояд такрор кунед

Аввалан, фоизи хориҷшавиро ҳамчун иқтидор гузориш надиҳед. Миқдори зиёди ангишт метавонад 99 фоизи ранги маҳлули камконсентратсияро бартараф кунад, дар ҳоле ки ба ҳар грамм ҳамагӣ чанд миллиграмм нигоҳ медорад. Миқдори ками ангишт дар маҳлули консентратсияаш баланд метавонад ба ҳар грамм садҳо миллиграмм нигоҳ дорад, вале ранги намоён боқӣ монад. Ҳамеша C0, Ce, V, m, миқдори ангишт бо g/L, фоизи хориҷшавӣ ва qe-ро якҷоя гузориш диҳед, вагарна қиматро дубора истифода бурдан мумкин нест.

Дуюм, қимати дар вақти муайян гирифташударо бе нишон додани сатҳи устувори кинетикӣ qe наномед ва консентратсияи рангмоддаро танҳо аз рӯйи массаи дар тамға навишташуда муқаррар накунед. Мувозинатро бо силсилаи ченкуниҳо дар вақтҳои гуногун тасдиқ кунед; бо назардошти масъалаи гидрат ва миқдори моддаи асосӣ, консентратсияро ба ҷойи такя ба массаи баркашидашудаи маҳсулоти тамғагузоришуда бо спектрофотометрия санҷед; pH, ҳарорат, андозаи зарраҳо ва омехтакуниро назорат намоед. Иқтидори ҷаббиши кабуди метилен, ки бо ин маълумот ҳамроҳ аст, ченкунии қобили истифода дар шароити дигар мебошад. Бе онҳо он танҳо нақли як ҳолат аст.