Pagsusuri ng Adsorpsiyon ng Methylene Blue: Kapasidad ng Aktibadong Karbon

Naghahambing ang isang laboratoryo ng dalawang aktibadong karbon. Ayon sa isang talaan ng espesipikasyon, tatlong beses na mas mataas ang halaga nito para sa methylene blue kaysa sa isa. Binili ng laboratoryo ang may mas mataas na bilang, ibinatay rito ang dami ng karbon na ginamit, at maagang nakalusot ang pangkulay. Walang pinekeng datos. Nagmula ang dalawang bilang sa magkaibang pagsusuri, at itinuring ng mamimili na iisa ang sinusukat ng mga ito.

Itinatama ng artikulong ito ang pagkakamaling iyon sa pagbasa. Ipinapaliwanag nito kung ano ang sinusukat ng pagsusuri, ipinapakita ang pagkalkula nang dalawang beses gamit ang mga aktuwal na bilang, at tinutukoy ang bawat baryabol na nakaaapekto sa resulta. Hiwalay na tinatalakay ang kaugnay na problema ng pagraranggo ng magkakaibang adsorbent; dito, ang paksa ay isang klase ng materyal at isang pamamaraan.

Bakit ang pangkulay na ito ang ginagamit na panukat

Ang methylene blue ay isang katyoniko at aromatikong pangkulay na may patag na estruktura. Sa tubig, umiiral ito bilang ion na may positibong karga, at ang sukat ng molekula nito ay humigit-kumulang 1.43 by 0.61 by 0.40 nm. Ang sukat na iyon ang mahalaga. Ang iodine, ang isa pang tradisyonal na panukat, ay mas maliit at nakakapasok sa makikitid na mikroporo, kaya sinusubaybayan ng iodine number ang pagbuo ng mga mikroporo. Kailangan ng methylene blue ng mas malalapad na pasukan: nakakapasok ito sa mga porong higit sa humigit-kumulang 0.75 nm, at malaki rin ang ambag ng mga porong nasa 1.4 hanggang 3 nm. Saklaw ng mga sukat na iyon ang mas malalaking mikroporo at maliliit na mesoporo, kaya labis na pagpapasimple ang pagtawag sa pagsusuri bilang panukat lamang ng mga mesoporo. Nagkukumpleto sa isa't isa ang dalawang panukat. Sinusukat ng iodine kung gaano karami ang maliliit na poro. Sinusukat naman ng methylene blue kung gaano karaming espasyo sa mga poro ang kayang pasukan ng isang malaking organikong molekula, na siyang mahalagang tanong para sa pag-aalis ng pangkulay. Hindi kayang hulaan ng alinman sa dalawang bilang, nang mag-isa, ang pagsipsip ng ibang mga molekula.

Kasinghalaga ng sukat ang karga. Dahil katyoniko ang pangkulay, naaakit ito sa mga ibabaw na may negatibong karga at itinataboy ng mga ibabaw na may positibong karga. Dahil dito, pangunahing baryabol ang pH, hindi isang pahabol na detalye lamang, gaya ng ipinapakita ng mga eksperimento sa ibaba.

Paano isinasagawa ang pagsusuring batch

Ang karaniwang paraan sa laboratoryo ay ang pagpapaabot sa ekilibriyo sa isang batch. Ihanda ang karbon, salain ito upang makakuha ng kontroladong pangkat ng laki ng partikulo, at timbangin ang isang tiyak na masa m. Magdagdag ng tiyak na bolyum V ng solusyon ng pangkulay na may panimulang konsentrasyong C0. Panatilihing pareho ang pH at temperatura, haluin sa loob ng panahong napatunayang sapat, at pagkatapos ay ihiwalay ang karbon sa pamamagitan ng pagsasala o sentripugasyon. Tukuyin ang natitirang konsentrasyong Ce gamit ang absorbansiya sa UV-Vis, karaniwang malapit sa 660 hanggang 665 nm at madalas sa 664 nm, batay sa serye ng mga pamantayan para sa kalibrasyon na inihanda gamit ang parehong instrumento. Isang nailathalang pamamaraan ang gumamit ng 0.050 g ng karbon kasama ng 50 mL ng solusyon sa saklaw na 10 hanggang 1000 mg/L, sa loob ng 24 oras sa 25 C, at pagbasa sa 660 nm. Walang iisang unibersal na protokol, kaya ang halagang iniulat nang walang dami ng karbon, saklaw ng konsentrasyon, oras, temperatura, pH, at haba ng alon ay hindi isang resulta. Usap-usapan lamang ito.

Nangangailangan din ang mismong pagtukoy ng dami ng kaparehong disiplina na inilalarawan sa pagsukat ng pangkulay batay sa absorbansiya: magsagawa ng kalibrasyon sa iyong instrumento, kumpirmahin ang tuktok sa halip na ipagpalagay na nasa 664 nm ito, at palabnawin ang mga supernatant na may mataas na konsentrasyon upang maibalik sa linyar na saklaw.

Ang halimbawa ng pagkalkula

Nakukuha ang kapasidad mula sa balanse ng masa. Ang pangkulay na nawala sa solusyon ay nasa karbon:

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

kung saan ang qe ay ang pagsipsip sa ekilibriyo sa mg/g, ang C0 at Ce ay ang panimula at ekilibriyong konsentrasyon sa mg/L, ang V ay ang bolyum sa litro, at ang m ay ang masa ng karbon sa gramo.

Unang punto. Magsimula sa C0 = 100 mg/L, V = 0.100 L, m = 0.0200 g. Pagkatapos maabot ang ekilibriyo, iniulat ng instrumento ang Ce = 35 mg/L. Kung gayon, qe = (100 minus 35) times 0.100 divided by 0.0200 = 65 times 0.100 divided by 0.0200 = 325 mg/g. Ang porsiyento ng naalis ay (100 minus 35) divided by 100 times 100 = 65 porsiyento.

Ikalawang punto, pareho ang dami ng karbon at bolyum, ngunit mas mataas ang dami ng pangkulay. Magsimula sa C0 = 200 mg/L at sukatin ang Ce = 90 mg/L. Kung gayon, qe = (200 minus 90) times 0.100 divided by 0.0200 = 550 mg/g, samantalang ang naalis ay (200 minus 90) divided by 200 times 100 = 55 porsiyento.

Ang dalawang pares na ito, (Ce = 35, qe = 325) at (Ce = 90, qe = 550), ay dalawang punto ng isang isoterma. Pansinin ang magkasalungat na pagbabago: tumaas ang kapasidad mula 325 tungo sa 550 mg/g habang bumaba ang naalis mula 65 tungo sa 55 porsiyento. Magkasalungat ang direksiyon ng kapasidad at porsiyento ng naalis habang tumataas ang konsentrasyon. Ang sinumang nagraranggo ng mga karbon batay sa porsiyento ng naalis na sinukat sa magkakaibang dami ng karbon o konsentrasyon ay nagraranggo ng eksperimento, hindi ng materyal.

Ang mga baryabol na dapat mong kontrolin

Binabago ng bawat salik sa ibaba ang resulta. Panatilihing pareho ang bawat isa o itala ito.

Dami ng karbon. Mas maraming karbon ang nangangahulugang mas maraming lugar na maaaring kapitan, kaya tumataas ang porsiyento ng naalis habang karaniwang bumababa ang pagsipsip kada gramo, dahil ang nakuhang pangkulay ay nahahati sa mas malaking masa. Iulat ang dami sa g/L kasama ang ginamit na V at m.

Panimulang konsentrasyon. Ang mas mataas na C0 ay nagbibigay ng mas malaking puwersang nagtutulak sa adsorpsiyon, kaya tumataas ang qe habang bumababa ang porsiyento ng naalis habang napupuno ang mga lugar na maaaring kapitan. Magkaibang bahagi ng kurba ang inilalarawan ng mga isotermang itinugma sa datos sa saklaw na 5 hanggang 50 mg/L at 100 hanggang 400 mg/L. Ihambing lamang ang mga kapasidad na nakuha sa pagtutugma ng kurba sa datos sa mga saklaw na nagkakapatong.

pH. Para sa katyonikong pangkulay na ito, karaniwang tumataas ang pagsipsip kasabay ng pH, lalo na sa itaas ng punto ng serong karga ng karbon, kung saan nagiging negatibo ang netong karga ng ibabaw. Sa mababang pH, nakakabit ang mga proton sa mga lugar sa ibabaw at nakikipagkompetensiya ang mga ion ng hydrogen para sa mga iyon. Nakadepende sa partikular na karbon ang laki ng epekto: sa isang pag-aaral ng aktibadong karbon, tumaas ang pagsipsip mula sa humigit-kumulang 51 mg/g sa pH 2 tungo sa humigit-kumulang 92 mg/g sa pH 8. Itala ang panimula at ekilibriyong pH pati ang mga asin na naroroon sa solusyon, dahil pinahihina ng lakas na ioniko ang mismong mga puwersang binabago ng pH.

Oras ng kontak. Mabilis na tumataas ang pagsipsip, pagkatapos ay pumapatag. Ang halaga lamang sa patag na bahagi ang qe; anumang mas maaga rito ay qt. Ang mga nailathalang oras upang maabot ang ekilibriyo ay mula ilang minuto hanggang maraming oras para sa magkakaibang karbon, at may 24 oras na kontak sa ilang karaniwang pamamaraan. Tukuyin ang patag na bahagi sa pamamagitan ng pagsusuri ng kinetika para sa iyong karbon, sa halip na ipagpalagay na sapat ang dalawang oras.

Temperatura. Walang iisang direksiyon na naaangkop sa lahat. Tumataas ang pagsipsip kasabay ng temperatura sa mga sistemang endotermiko at bumababa sa mga eksotermiko, kaya sukatin ito sa halip na magpalagay.

Laki ng partikulo at paghahalo. Pinaiikli ng mas maliliit na partikulo ang mga landas ng difusyon at karaniwang pinabibilis ang pagsipsip; pinaninipis naman ng mas malakas na paghahalo ang hindi gumagalaw na sapin ng likido sa paligid ng mga partikulo at gayundin ang epekto nito. Pareho nilang binabago ang bilis, hindi ang ekilibriyo mismo. Ang kapasidad na nagbabago kasabay ng bilis ng paghahalo ay isang babala na hindi kailanman naabot ang ekilibriyo.

Dapat ding itala ang pagkakakilanlan ng reagent, kaya kasama ng masa ng karbon ang mga pagsusuri sa kadalisayan at espesipikasyon ng pangkulay: maaaring ibenta ang methylene blue bilang asin na walang tubig na may humigit-kumulang 319.9 g/mol o bilang trihydrate na may 373.90 g/mol, at madalas ay mas mababa sa 100 porsiyento ang assay ng komersiyal na produkto. Kapag kinalkula ang nominal na C0 gamit ang maling bigat ng pormula, nagkakaroon ng sistematikong pagkakamali ang bawat qe.

Ano ang sinasabi at hindi sinasabi ng mga kurbang itinugma sa datos

Sa pagtutugma gamit ang Langmuir, ipinapahayag ang qe bilang qmax times KL times Ce divided by (1 plus KL times Ce). Nagbibigay ito ng kapasidad sa saturasyon na qmax sa mg/g at konstant ng afinidad na KL sa L/mg, na parehong nakuha mula sa pagtutugma sa datos. Ang mahusay na pagtugma ay nangangahulugang mahusay na inilalarawan ng partikular na kurbang ito ng saturasyon ang nasukat na saklaw ng konsentrasyon. Hindi nito pinatutunayang may iisang magkakatulad na pangkat ng mga lugar na maaaring kapitan ang karbon, na mahigpit na iisang sapin lamang ang pagkakabalot, o na may partikular na mekanismong molekular na gumagana. Karaniwang nagbibigay ang mga porosong karbon na may magkakaibang katangian ng mga kurbang hugis Langmuir sa mga limitadong saklaw.

Sa pagtutugma gamit ang Freundlich, ipinapahayag ang qe bilang KF times Ce to the power 1/n. Itinatakda ng KF ang empirikal na sukatan ng kapasidad at ng 1/n ang kurbada. Dahil walang may-hanggang patag na bahagi ang pormang ito, hindi ito dapat kailanman gamitin sa ekstrapolasyon upang lumikha ng qmax. Ang mas mahusay na pagtugma ng Freundlich ay nangangahulugan lamang na mas tumutugma ang pataas nitong hugis sa nasukat na saklaw. Alinmang ekwasyon ang gamitin, mas piliin ang di-linyar na regresyon sa orihinal na porma, dahil binabaluktot ng mga transpormasyong nagpapalinyar ang mga error, at suriin ang mga residuwal sa halip na umasa lamang sa R squared.

Ano ang itinuturo ng 914 eksperimento

Isang pagsusuri gamit ang machine learning sa 914 eksperimento mula sa 75 papel ang nagmodelo ng pagsipsip ng methylene blue sa mga luad, abo, at materyal na inaktiba gamit ang alkali sa pamamagitan ng gradient boosted regression trees. Ang pangunahing resulta nito: ang panimulang konsentrasyon ng pangkulay ang pinakamalakas na tagahula ng iniulat na pagsipsip; mahalaga rin ang pH, pagkakakilanlan ng hilaw na materyal, at uri ng modipikasyon; at may malalakas na ugnayang interaktibo ang konsentrasyon sa halos lahat ng iba pang baryabol, kabilang ang dami ng materyal, lawak ng ibabaw, oras ng kontak, at paghahalo.

Dalawang paalala ang nagpapanatiling kapaki-pakinabang sa natuklasang ito. Una, hindi saklaw ng pag-aaral na iyon ang aktibadong karbon, kaya hindi nito kayang iranggo ang mga baryabol para sa karbon. Ikalawa, tungkol sa pamamaraan ang aral nito at tuwirang mailalapat sa ibang pagsusuri: hindi kailanman isang baryabol na sagabal lamang ang panimulang konsentrasyon, at napakalakas ng interaksiyon ng mga kondisyon ng proseso sa mga katangian ng materyal upang manatiling makabuluhan ang anumang pagraranggong nakabatay lamang sa mg/g kapag inalis ang mga kondisyong pinagmulan nito. Iyon din ang konklusyong nararating ng halimbawang pagkalkula mula sa mga pangunahing prinsipyo.

Dalawang pagkakamaling dapat nang itigil

Una, itigil ang pag-uulat ng porsiyento ng naalis bilang kapasidad. Maaaring alisin ng maraming karbon ang 99 porsiyento ng kulay ng isang solusyong may mababang konsentrasyon habang kaunting milligram lamang kada gramo ang hawak nito, at maaaring humawak ang kaunting karbon sa solusyong may mataas na konsentrasyon ng daan-daang milligram kada gramo habang may natitira pang nakikitang kulay. Laging iulat nang magkakasama ang C0, Ce, V, m, dami ng karbon sa g/L, porsiyento ng naalis, at qe; kung hindi, hindi magagamit muli ang bilang.

Ikalawa, itigil ang pagtawag na qe sa halagang sinukat sa isang takdang oras nang hindi ipinapakita ang patag na bahagi ng kurbang kinetiko, at itigil ang pagsasapamantayan ng pangkulay batay sa bigat na nasa etiketa. Kumpirmahin ang ekilibriyo gamit ang serye ng mga pagsukat sa paglipas ng oras, kumpirmahin ang konsentrasyon sa pamamagitan ng spektropotometriya sa halip na umasa sa pagtimbang batay sa etiketa dahil sa problema sa hydrate at assay, at kontrolin ang pH, temperatura, laki ng partikulo, at paghahalo. Ang kapasidad para sa methylene blue na may kasamang mga talang iyon ay isang sukat na magagamit sa ibang konteksto. Kung wala ang mga iyon, isa lamang itong anekdota.