Таҷзияи кабуди метилен ва фотокатализ: тафсири натиҷаҳои хориҷшавӣ

Озмоишгоҳ ду катализаторро барои таҷзияи фотокаталитии кабуди метилен месанҷад. Катализатори A дар як соат 95 фоизи ранги кабудро нест мекунад. Катализатори B танҳо ба 60 фоиз мерасад. Гурӯҳ A-ро ғолиб эълон мекунад, инро дар гузориш менависад ва миқдори бештари онро фармоиш медиҳад. Пас аз чанд моҳ таҳлили карбон ҳақиқатро ошкор мекунад: қисми зиёди рангмоддае, ки A хориҷ карда буд, дар сатҳи ҷисми сахт бетағйир боқӣ монда буд, дар ҳоле ки B воқеан молекулаҳои бештари рангмоддаро шикаста буд. Раддабандӣ баръакс баромад, зеро гурӯҳ як мафҳумро чен карда, онро бо номи мафҳуми дигар баён карда буд.

Ин иштибоҳ маъмул аст, зеро чор мафҳуми гуногун як нишонаи мушоҳидашаванда доранд: моеъи кабуд камранг мешавад. Адсорбсия, берангшавӣ, таҷзия ва минерализатсия ҳар кадом метавонанд чунин натиҷа диҳанд ва ҳар кадом дар бораи он чӣ бо рангмодда рӯй додааст, иддаои гуногун доранд. Кабуди метилен яке аз маводест, ки дар корбурдҳои таҳлилӣ ва экологӣ нақши муайян дорад; дар ин ҷо нақши он ифлоскунандаи намунавиест, ки хориҷ ё табдил дода мешавад. Пеш аз муқоисаи катализаторҳо ё нашри фоизи хориҷшавӣ муайян кунед, ки ченкуниҳои шумо воқеан кадом натиҷаи ниҳоиро тасдиқ карда метавонанд.

Чор натиҷаи ниҳоӣ, чор иддаои гуногун

Ба инҳо ҳамчун чор мафҳуме нигаред, ки принсипҳои амалии гуногун доранд. Ҳар кадом ба саволи алоҳида ҷавоб медиҳад ва далелҳои хоси худро талаб мекунад.

Адсорбсия маънои онро дорад, ки молекулаҳои рангмодда аз маҳлул баромада, дар ҷисми сахт ҷой мегиранд, бе он ки ҳатман аз ҷиҳати кимиёвӣ тағйир ёбанд. Санҷиши он дар торикӣ то он вақт гузаронида мешавад, ки ҷаббиш воқеан ба сатҳи устувор расад; далели боэътимод инчунин рангмоддаеро дар бар мегирад, ки аз ҷисми сахт бо десорбсия ё истихроҷ барқарор карда шудааст. Давраи собити 30 дақиқа дар торикӣ барои ҳар мавод далели расидан ба мувозинат нест ва як баррасии нави методологӣ нишон медиҳад, ки сарфи назар кардани ин қадам чӣ гуна боиси раддабандии нодурусти катализаторҳо ҳангоми фарқ кардани ҷаббиш дар торикӣ байни маводҳо мегардад.

Берангшавӣ маънои аз байн рафтани хромофори намоёнро дорад, ки одатан дар наздикии тасмаи асосии фурӯбарӣ, тақрибан дар 664 nm, пайгирӣ мешавад. Адсорбсия, барқароршавии кимиёвӣ, N-деметилатсия ва кандашавии хромофор ҳама метавонанд ин нишондиҳандаро паст кунанд, бинобар ин қимати як дарозии мавҷ сабабро муайян карда наметавонад. Ба ҷойи як рақам спектрҳои пурраро сабт кунед: кӯчиши қулла ба тарафи кабуди спектр бо маҳсулоти деметилшудаи гурӯҳи Azure мувофиқат мекунад. Натиҷае, ки ҳамчун 95 фоиз хориҷшавӣ дар 664 nm баён шудааст, бояд 95 фоиз берангшавӣ номида шавад, на 95 фоиз таҷзия.

Таҷзия маънои онро дорад, ки молекулаи ибтидоии кабуди метилен аз ҷиҳати кимиёвӣ табдил ёфтааст. Далел аз хроматография ба даст меояд: рангмоддаи бетағйир дар HPLC ё UPLC нест мешавад, дар ҳоле ки маҳсулоти табдил пайдо шуда, сипас худ низ таҷзия мешаванд; беҳтараш онҳо бо LC-MS муайян карда шаванд. Нишондиҳандаҳои муфид иони молекулавии моддаи ибтидоӣ дар наздикии m/z 284 ва силсилаи зина ба зинаи деметилатсияро дар бар мегиранд: Azure B дар наздикии 270, Azure A дар наздикии 256, Azure C дар наздикии 242 ва тионин дар наздикии 228. Барои онҳо гузаришҳои санҷидашудаи LC-MS/MS барои рангмоддаҳо дар об нашр шудаанд.

Минерализатсия маънои онро дорад, ки карбони органикӣ ба маҳсулоти ниҳоии ғайриорганикӣ, асосан диоксиди карбон ва карбони ғайриорганикӣ, табдил ёфтааст ва нитрогену сулфур ба шаклҳое чун аммоний, нитрат ва сулфат гузаштаанд. Коҳиши карбони умумии органикӣ (TOC) ченаки маъмули карбон аст. Коҳиши талаботи кимиёвӣ ба оксиген (COD) кам шудани сарбории оксидшавандаро нишон медиҳад, аммо тавозуни массаи карбон нест ва худ ба худ минерализатсияи пурраро исбот намекунад. Хроматографияи ионӣ барои сулфат, нитрат ва аммоний ин иддаоро тақвият медиҳад.

Навъҳои катализаторҳо — диоксиди титани бо иловаҳо тағйирдодашуда, композитҳо, маводҳои рӯйи такягоҳи карбонӣ ва монанди инҳо — танҳо вақте метавонанд дар як муқоиса ҷой гиранд, ки ҳар навъ аз рӯйи ҳамон натиҷаҳои ниҳоӣ ва санҷишҳои назоратӣ арзёбӣ шавад. Композите, ки адсорбсияи қавӣ дорад, дар санҷиши ранг ҳамеша зудтаъсир менамояд. Маҳз барои ҳамин рӯйхати зер пеш аз ҳар гуна раддабандӣ ҷаббишро аз реаксия ҷудо мекунад.

Механизми таҷзияи фотокаталитии кабуди метилен

Маҷмӯи роҳҳои пазируфташудаи реаксия барои ангезиши воқеии нимноқил дар як баррасии серистиноди таҷзияи фотокаталитии рангмоддаҳо дар маводҳои асосашон диоксиди титан ҷамъбаст шудааст. Фотонҳои фурӯбурдашуда дар минтақаи гузаронандагӣ электронҳо ва дар минтақаи валентӣ сӯрохҳо ба вуҷуд меоранд. Сӯрохҳо об ё гидроксиди рӯйи сатҳро оксид карда, радикалҳои гидроксилӣ ҳосил мекунанд, дар ҳоле ки электронҳо оксигени ҳалшударо ба супероксид барқарор мекунанд. Реаксияҳои минбаъда тавассути радикалҳои гидропероксилӣ ва пероксиди гидроген радикалҳои иловагии гидроксилӣ ба вуҷуд меоранд. Сипас ин шаклҳои фаъоли оксиген ва худи сӯрохҳо ба рангмодда ҳамла мекунанд.

Табдили кабуди метилен маъмулан бо N-деметилатсияи пайдарпай тавассути Azure B, Azure A ва Azure C ба самти тионин, ҳамзамон бо оксидшавии хромофори фенотиазинӣ, оғоз мешавад. Ҳамлаи минбаъдаи радикалҳо пайвандҳои карбон–сулфур ва карбон–нитрогенро мешиканад, ҳалқаҳои ароматиро мекушояд ва пеш аз минерализатсияи ниҳоӣ пайвастагиҳои навъи фенолӣ ва анилинӣ, алдегидҳо ва кислотаҳои карбоксилии массаи молекулавиашон пастро ҳосил мекунад. Баррасии махсуси хосиятҳои кабуди метилен ва роҳҳои фототаҷзияи он ин маҷмӯи роҳҳоро ба таври муфассал нишон медиҳад. Таносубҳои дақиқи шохаҳои реаксия аз катализатор, pH, таъминоти оксиген ва шуоъдиҳӣ вобастаанд, аз ин рӯ нақшаро ҳамчун маҷмӯи роҳҳои реаксия қабул кунед, на як пайдарпайии ҳатмӣ.

Ду омили таҷрибавӣ сазовори таваҷҷуҳанд, зеро онҳо кинетикаи зоҳириро бе тағйир додани хосиятҳои дохилии катализатор дигар мекунанд. pH заряди сатҳи диоксиди титан ва гидроксилшавии сатҳро тағйир медиҳад, ки ин ба адсорбсияи рангмоддаи катионӣ ва, дар натиҷа, ба суръати мушоҳидашуда таъсир мерасонад; маводҳоро дар pH-и яксон муқоиса кунед ва қиматҳои ибтидоӣ ва ниҳоиро сабт намоед. Намакҳои ҳалшуда ва буферҳо низ ҳамин гуна амал мекунанд: хлорид, фосфат, карбонат ва сулфат метавонанд ҷойҳои фаъоли сатҳро ишғол карда, химияи радикалҳоро дигар кунанд. Як таҳқиқоти махсуси намакҳои ғайриорганикӣ дар фотокатализи диоксиди титан ин таъсирро бевосита барои кабуди метилен ҳуҷҷатгузорӣ мекунад.

Доми нури намоён

Диоксиди титани тағйирнаёфта ба ангезиш бо нури наздик ба UV ниёз дорад, аммо бисёр гузоришҳо берангшавии кабуди метиленро зери чароғҳое нишон медиҳанд, ки танҳо нури намоён медиҳанд ва инро фаъолияти катализатор дар нури намоён меноманд. Механизми эҳтимолӣ ҳассосгардонӣ тавассути рангмодда аст: рангмоддаи ангехташуда электронро ба нимноқил интиқол медиҳад ва он электрон оксигенро барқарор карда, рангро бе ангезиши воқеии ҷисми сахт аз тариқи фосилаи энергетикӣ беранг мекунад. Кори таҷрибавии бойгонишудаи Оҳтани ва ҳамкорон оид ба мушкили нури намоён ин натиҷаи фиребандаро нишон дод. Баёни доираи татбиқи ISO 10678 ин ҳудудро равшан муайян мекунад: усули санҷиши он бо кабуди метилен ба шуоъдиҳии UV маҳдуд аст ва иддаоҳои фаъолият дар нури намоёнро истисно мекунад.

Санҷиши амалӣ сода аст. Таҷрибаро бо моддаи санҷишии беранг, ки нури намоёнро намефурӯбарад, такрор кунед ва вобастагии суръат аз дарозии мавҷро бо спектри фурӯбарии катализатор муқоиса намоед. Агар фаъолият ба фурӯбарии рангмодда пайравӣ кунад, на ба фурӯбарии катализатор, натиҷа ҳассосгардониро тасдиқ мекунад, на фотокатализи дохилии мавод дар нури намоёнро. Ҳангоми хондани иддаоҳои фурӯшандагон дар бораи навъҳои катализатори фаъол дар нури намоён ин санҷишро дар хотир нигоҳ доред.

Рӯйхати санҷиши натиҷаҳои ниҳоӣ

Пеш аз раддабандии катализаторҳо ё навиштани иддао дар бораи хориҷшавӣ аз ин рӯйхат истифода баред. Ин воситаи такроран истифодашавандаи ин саҳифа аст: ҳар таҷрибаи таҷзияи кабуди метилен бояд ҳамаи бандҳоро иҷро кунад.

1. Санҷиши назоратии адсорбсия дар торикӣ: рангмодда бо катализатор, бе нур, бо омехтакунӣ то сатҳи устувори ченшуда ва барқароркунӣ аз фазаи сахт, на бо фарзияи вақти собит.
2. Санҷиши назоратии фотолиз: рангмодда бо нур, бе катализатор, барои муайян кардани миқдори берангшавии мустақим дар шароити чароғ ва геометрияи шумо.
3. Намунаи холии таҳлилӣ: катализатор бо нур, бе рангмодда, барои сабти сигналҳои заминавӣ дар TOC, ионҳо ва спектрҳо.
4. Шароити собити реаксия: спектри чароғ, ҷараёни фотонҳо, ҳарорат, омехтакунӣ, оксигени ҳалшуда, геометрияи реактор, консентратсияи ибтидоии рангмодда, миқдори катализатор, pH ва матритса дар ҳамаи навъҳо яксон нигоҳ дошта шаванд.
5. Ҷудо кардани ҷисми сахт пеш аз спектроскопия: филтр ё сентрифуга кунед, то парокандашавии нур ҳамчун фурӯбарӣ хонда нашавад.
6. Спектрҳои пурра, на як дарозии мавҷ: натиҷаи сканро гузориш диҳед, то кӯчиши қуллаҳо ва тасмаҳои нав намоён бимонанд.
7. Тасдиқи хроматографӣ барои ҳар иддаои таҷзия: коҳиши моддаи ибтидоии бетағйир ва пайгирии маҳсулот.
8. Баҳисобгирии карбон барои ҳар иддаои минерализатсия: TOC бо намунаҳои холӣ ва санҷиши он ки карбони нестшуда ҳисобшуда танҳо ба ҷисми сахт нагузаштааст.
9. Санҷиши ба маҳлул гузаштани ҷузъҳо: ҷисми сахтро пурра хориҷ кунед — бо санҷише монанди филтркунии гарм — филтратро шуоъ диҳед ва металлҳои ҳалшударо таҳлил кунед; идома ёфтани реаксия ба саҳми раванди гомогенӣ ишора мекунад.
10. Номгузории саҳеҳ: натиҷаи 664 nm-ро берангшавӣ, натиҷаи хроматографиро таҷзия ва натиҷаи TOC-ро минерализатсия номед.

Як таҳқиқоти нави фотореактори UV-LED, ки санҷишҳои адсорбсия, ҷудокунии катализатор, UV-vis ва TOC-ро муттаҳид мекунад, нишон медиҳад, ки ин қабатҳои далел чӣ гуна дар як бахши усулҳо ба ҳам мепайванданд.

Намунаи ҳисобшудаи тавозуни масса

Фарз кунед, ки санҷиши 100 mL бо консентратсияи 10 mg/L кабуди метилен оғоз мешавад, пас реактор 1.0 mg рангмодда дорад. Пас аз расидан ба мувозинат дар торикӣ консентратсияи ченшудаи маҳлул 8.0 mg/L аст, яъне 0.2 mg дар ҷисми сахт ҷой гирифтааст ва 0.8 mg дар ҳолати ҳалшуда боқӣ мондааст. Пас аз як соат шуоъдиҳӣ таҳлили маҳлули филтршуда бо хроматография 2.0 mg/L рангмоддаи бетағйирро нишон медиҳад (0.2 mg дар маҳлул), десорбсия аз ҷисми сахт 0.1 mg рангмоддаи бетағйирро барқарор мекунад ва TOC нишон медиҳад, ки 40 фоизи карбони органикии ибтидоӣ аз системаи якҷояи маҳлул ва ҷисми сахт ҳамчун карбони ғайриорганикӣ хориҷ шудааст.

Тавозун аз рӯйи карбон чунин хонда мешавад: карбони ибтидоӣ баробар аст ба рангмоддаи ибтидоӣ дар маҳлул ҷамъи рангмоддаи ибтидоии адсорбшуда ҷамъи маҳсулоти мобайнии органикӣ ҷамъи карбони минерализатсияшуда. Дар ин ҷо 20 фоизи массаи ибтидоии рангмодда ҳамчун моддаи ибтидоии бетағйир боқӣ мемонад (0.2 mg дар ҳар ду фаза якҷоя), 40 фоиз минерализатсия мешавад ва 40 фоизи боқимонда маҳсулоти органикии табдил аст — маҳсулоти мобайнӣ дар маҳлул ё дар ҷисми сахт, ки қуллаҳои маҳсулот онҳоро тасдиқ мекунанд. Гузориши дуруст 80 фоиз таҷзияи рангмоддаи ибтидоӣ бо 40 фоиз минерализатсия аст, на 95 фоизи ягон натиҷа. Ба ин дом таваҷҷуҳ кунед: агар TOC танҳо дар моеъи рӯйии филтршуда чен мешуд, моддаҳои органикии адсорбшуда нобудшуда ҳисоб шуда, нишондиҳандаи минерализатсияро барзиёд мекарданд. Агар имкон бошад, карбони тамоми суспензияро чен кунед ё ҳиссаи ба ҷисми сахт пайвастшударо ба ҳисоб ба таври ошкор баргардонед.

Қоидаи гузоришдиҳӣ

Аввал натиҷаи ниҳоии камтар фарогиреро баён кунед, ки далелҳои шумо тасдиқ мекунанд; сипас танҳо баъди тасдиқи ҳар қабати ченкунӣ иддаоҳои қавитарро илова намоед. Корҳои таҷзияи кабуди метилен ҳамон тавре эътимод пайдо мекунанд, ки дигар усулҳои бар асоси рангмодда: бо мувофиқ кардани натиҷа ба хосияте, ки усул воқеан чен мекунад. Роҳнамои ҳамроҳ барои хондани иддаоҳои таҳқиқотии бар асоси рангмодда ҳамин муносибати дақиқро ба тарҳрезии таҳқиқот низ татбиқ мекунад ва протоколи амалӣ барои санҷиши шароити озмоиш амалҳои калибрченкуниеро фаро мегирад, ки бевосита дар кори фотореактор истифода мешаванд.