第 5 章 磁性ゼオライトの吸着性能評価
5.4 吸着性能評価方法
第5章 磁性ゼオライトの吸着性能評価 80
入前の試料溶液中の吸着質の濃度[mg/L]、𝐶𝑡𝑒𝑟𝑚を実験後の試料溶液中の吸着質の濃度 [mg/L]とする。
𝑄 = 𝑉𝐶𝑖𝑛𝑖𝑡− 𝐶𝑡𝑒𝑟𝑚 𝑚𝑎𝑑𝑠
(5.14) 更に、式(5.11)を式(5.14)に加えて展開すると、以下の式4-6になる。𝐴𝑖𝑛𝑖𝑡を吸着剤投入前 の試料溶液の初期吸光度、𝐴𝑡𝑒𝑟𝑚を実験後の試料溶液中の吸着質の吸光度としている。
𝑄 =𝑉 𝑎
𝐴𝑖𝑛𝑖𝑡− 𝐴𝑡𝑒𝑟𝑚 𝑚𝑎𝑑𝑠
(5.15) この式に実測値の値を代入する事で、対象吸着質の吸収量[mg]を算出できる。
なお、吸着剤の吸着質単位吸着量の単位は[g/mg]となっており、対象吸着質の吸着質[mg]
になっていることに注意する。
化学的相互作用をよく示す。吸着等温線を求めるには、密栓ができ吸着質の吸着が無視 で きる容器を数本用意し、溶質初期濃度を変化させていく。このときの溶質初期濃度を𝐶0と する。次に吸着剤質量𝑀を各容器に一定容積𝑉加える。容器に密栓をし平衡になるまで振 り 混ぜる。平衡に達したら溶液を取り出し、遠心分離や濾過で吸着剤を分離し、濾過中に残存 する溶質濃度を測定する。
このときの濃度𝐶𝑖が平衡濃度に相当する。吸着剤単位質量当りの平衡吸着量𝑊𝑖は次式で 計算できる。
𝑊𝑖= 𝑉𝐶0−𝐶𝑖
𝑀 (5.16)
𝐶𝑖を横軸に𝑊𝑖を縦軸にプロットすると図 5-5の様な吸着等温線が得られる。
図 5-5 吸着等温線の型 [58]
図中の曲線Ⅰは普通に見られる吸着等温線であり、吸着剤表面と吸着質問に吸着を促進 させる引力が働いている。直線Ⅱは、ごく希薄な溶液からの吸着や吸着量が少なく吸着剤表 面への被覆率が小さい時に見られる。また、吸着と類似の現象の一つである吸収や分配の場 合にも見られる。曲線Ⅲは、吸着剤と吸着質問の引力が非常に弱い場合に見られる。工業的 に吸着操作が行われるのは主に曲線Ⅰの場合である [58]。
5.4.4.1
Langumuir 吸着等温式
一定の温度における、吸着質の濃度（または圧力）と吸着量の関係を、吸着等温線と呼ぶ。
吸着等温線を数式の形で表したものを、吸着等温式という。ゼオライトにおける吸着は、
Langmuir 吸着等温式に従うとの報告があるため [58]、MZL の場合にも Langmuir 吸着等
温式に従うかどうかを検討した。また、Lanmuir 吸着等温式と比較するため、吸着現象によ く用いられるFrundlich 吸着等温式についても検討した。実験により吸着等温線を作成し、
吸着等温式を適用した。
Langmuir 吸着等温式は、単分子層吸着に対する吸着等温式であり、以下の式で表さ
れる [58]。
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𝑊 = 𝑎𝑊𝑆𝐶
(1 + 𝑎𝐶) (5.17)
ここで、飽和吸着量を 𝑊𝑆 [g g⁄ − MZL]、吸着平衡定数を 𝑎 [L/g]とする。 𝑊 は吸着剤単位重 量当たり吸着量[g g⁄ − MZL]で、 𝐶 は平衡濃度（液相中に残った吸着質の濃度）[g L⁄ ]は溶液 中の化学種の濃度（本実験では、染料水溶液中に残った染料の濃度）[g/L]である。 𝐶 が大 きくなるほど 𝑊 = 𝑊𝑆 に近づいていく。測定データがLangmuir 吸着等温式に当てはまるか どうかの判定は、液相吸着においてよく用いられる次式にあてはめ、直線関係が成立してい るかを調べれば良い。
1 𝑊=
1
𝑊𝑆+( 1 𝑎𝑊𝑆) (1
𝐶) (5.18)
直線関係が成立している場合には、直線の傾きと切片から吸着定数 𝑎 と 𝑊𝑆 が求まる。 𝐶 と
𝑊 の値には測定誤差が含まれており、普通 𝑊 の方が 𝐶 よりも誤差が大きい。1
𝐶 と 1
𝑊 の関係 では、低濃度領域が極端に拡大される。それにより、測定誤差の大きな領域が拡大されるた め、このプロットを行う際は特に低濃度での測定精度に注意を払う必要がある。
図 5-6 Langmuir吸着等温線(左)及びLangmuir吸着等温線式直線プロット(右) [58]
5.4.4.2
Freundlich 吸着等温式
Freundlich 吸着等温式は、実験式で以下の式で表される。
𝑊 = 𝐾𝐹𝐶𝑛1 (5.19)
ここで、 𝐾𝐹、1
𝑛は吸着定数である。Freundlich は、温度差があまり大きくない範囲でこ の式が成立することを経験的に見出した。式の形から、飽和吸着量はない。定数 𝐾𝐹と1
𝑛が、
増加するとグラフは上方にシフトし、定数 𝐾𝐹と1
𝑛が、減少すると下方にシフトする。1
𝑛の 大方の意味は吸着剤と吸着質の親和力を、 𝐾𝐹 は親和力の他に吸着容量をも含んでいる。式 (5.19)の両辺の対数をとると、
𝑙𝑜𝑔𝑊 =1
𝑛𝑙𝑜𝑔𝐶 + 𝑙𝑜𝑔𝐾𝐹 (5.20)
と表されるので、縦軸を 𝑙𝑜𝑔𝑊 、横軸を 𝑙𝑜𝑔𝐶 でグラフを取り線形近似をすることで定数を
求めることもできる。ただし本研究では、縦軸 𝑊 、横軸 𝐶 としてグラフを取り、累乗近似 により式(5.19)を算出する。
Freundlich 吸着等温式には、非常に低濃度から高濃度までの吸着データを当てはめよう
とすると外れてくる傾向がある。しかし、比較的狭い濃度領域では多くの吸着系でよく適合
する。Langmuir 吸着等温式に適合する吸着データであっても、低高濃度範囲を除く中間濃
度範囲ではいつでもFreundlich 吸着等温式で近似できるとされている。