STEM-工程挑战 · 2020年3月2日 0

吸附:用Kool-Aid染色织物

难度 <! - 9 - >
所需时间 短(2-5天)
先决条件 基础化学知识有助于理解数学运算,如代数和简单线性回归。
材料可用性 该项目需要特殊的电子零件。我们的合作伙伴可提供套件家庭科学工具。对于数据分析,电子表格程序(如Google表格 TM 或Microsoft®Excel®)很有帮助。
费用 高($ 100 – $ 150)
安全 该项目需要使用沸水。务必采取预防措施,防止热液体烫伤。

摘要

你有没有想过你的衣服是如何变色的?染色纺织品是一个非常复杂的过程,需要大量的化学反应。不仅染料和织物的性质很重要,而且染色条件也必须完全正确才能获得最佳的颜色吸附。好奇它是如何工作的?在这个科学项目中,您将使用Kool-Aid®为羊毛着色,并探索染色的化学成分。

目的

研究Kool-Aid在羊毛织物上的吸附过程。

积分

Svenja Lohner,PhD,Science Buddies

该项目基于拉斐特学院Polly R. Piergiovanni博士的吸收实验室实验。

  • Google表格 TM 是Google,Inc。的注册商标。
  • Microsoft®是Microsoft Corporation的注册商标。
  • Excel®是Microsoft Corporation的注册商标。
  • Kool-Aid®是Kraft Foods,Inc。的注册商标。

引用本页

此处提供了一般引用信息。请务必检查所使用方法的格式,包括大小写,并根据需要更新引文。

MLA风格

Lohner,Svenja。”吸附:用Kool-Aid染色织物。” 科学伙伴,2018年12月5日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Chem_p106/chemistry/kool-aid-dye-adsorption。2019年7月6日访问。

APA风格

Lohner,S。(2018年12月5日)。吸附:用Kool-Aid染色织物。从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Chem_p106/chemistry/kool-aid-dye-adsorption


最后编辑日期:2018-12-05

简介

将衣服放入染浴时会发生什么?正如所料,它们是彩色的。但是,颜色的强度和程度可能会有很大差异,具体取决于您使用的染料和织物的类型。并非每种染料都适用于所有类型的纤维。那么颜色如何贴在衣服上?首先,染料必须与纤维接触并且需要均匀地分布到织物中。在第二步中,染料必须由纤维表面保留。染料与纤维表面的粘附是染色中最重要的步骤,称为吸附。在此过程中,染料(也称为吸附物)在织物表面上形成薄膜,或吸附剂。染料和纤维之间的相互作用取决于它们的化学结构,并且可以通过化学粘附(化学吸附)来驱动,其包括离子或共价键合和氢键的形成,或物理粘附(物理吸附)包括 Waals’力或静电吸引力.

让我们使用本实验的材料作为示例更详细地研究它。你的吸附剂是羊毛织物,它是一种天然蛋白质纤维,含有大量氨基(-NH 2 )。您将使用的吸附物是Kool-Aid ,或更具体地,作为其成分之一的食物颜色,称为 FD&amp; C Red 40 。由于其化学结构,如图1所示,红40被归类为酸性染料

红40是硫酸的盐,意思是它含有SO&lt; sub&gt; 3&lt;/sub&gt;&lt; sup&gt;  - &lt;/sup&gt;基团,使其成为酸性染料。
图1. 红40是硫酸的盐,意味着它含有SO 3 基团,这使它成为酸性染料.(图片来源:Jü,维基媒体共享)

那么羊毛和Kool-Aid的染色机制是什么?酸性染料仅在酸性环境中起作用,您将使用醋来酸化您的染色浴。酸质子化(这意味着它会加入质子)羊毛纤维的氨基,因此它们变成阳离子(带正电荷)。另一方面,红40在溶液中是阴离子的(带负电的)。在染色过程中,Red 40会通过形成离子键而吸附到羊毛纤维上,如图2所示。

 羊毛的染色机制,红色40
图2. 来自Kool-Aid的食用红色40的羊毛织物的染色机理。

了解一块布料染色的化学成分对纺织业来说非常重要。服装制造商希望获得良好的颜色,同时使用最少量的染料,因为染料需要花钱!在这个项目中,您将通过调查一块羊毛吸附多少染料,根据溶液中的染料浓度,以及通过观察红40的吸附平衡来评估染色过程.,它分布在染色溶液和纺织纤维之间。染色分布通常由所谓的吸附等温线表示,其将吸附在纤维上的染料浓度与溶液中染料的平衡浓度联系起来. Langmuir等温线是最简单的吸附模型,并且基于这样的假设:在吸附过程中形成连续的单层吸附质分子,其被均匀的固体表面包围。它最常用于从溶液中吸附溶质,并在数学上表示如公式1所示:

等式1:哪里

  • Q 表示可以吸附在表面上的最大吸附物[mg染料/mg羊毛],
  • q e 是平衡时吸附的染料量[mg染料/mg羊毛],
  • C e 是平衡时溶液中染料浓度[mg染料/mL],
  • b 是等温线常数[mL/mg染料]。

可以重新排列等式,如公式2所示:

公式2:

这意味着将1/q e 绘制为1/C e 将产生一条直线,允许您从其斜率和截距确定Q和b。为了获得吸附等温线的所有必要数据,您将随着时间的推移监测染色浴中红40的浓度(C t ),这样您还可以计算吸附的染料吸附量。羊毛(q t ),每个时间点使用公式3。达到吸附平衡后,q t 变为q e ,C t 变为C e

公式3:哪里

  • q t 是在时间点吸附的染料量[mg染料/mg羊毛],
  • C 0 是溶液中的初始染料浓度[mg/mL],
  • C t 是时间点 mL中溶液中的染料浓度[mg/mL],
  • V 是染料溶液的体积[mL],并且
  • w 是织物的质量[mg]。

要测量溶液中的染料浓度,您将构建一个特殊设备的简化版本,称为分光光度计。样品的颜色与其反射的光的波长有关,如图3所示。

幽灵水平
图3. 可见光的光谱和波长。单位是纳米(nm).(图片来源:Maulucioni,维基共享共享)。

分光光度计测量样品在特定波长下的光吸收。它通过使用衍射光栅将白光分离成彩虹色,然后将光通过样品来实现。通过样品出口侧的光检测器测量透射的光量。结果是吸收光谱,例如图4中的食用染料Red 40和Blue 1所示。对于Red 40,检测器测量在320 nm附近的一个小峰和一个大峰在约500nm处,其对应于蓝绿光。溶液呈红色,因为蓝色和绿色光已被染料吸收.

 吸收光谱图
图4。食用染料Red 40和Blue 1的吸收光谱。请注意,红色染料在约500 nm的波长下强烈吸收光,这是在可见光谱的蓝绿色部分(有关颜色和波长,请参见图3)。蓝色1在620nm附近强烈吸收,大致在光谱的橙色部分.(托马森,1998年。)

您的简化分光光度计将包含一个具有光源(白色发光二极管(LED))和光检测器(光敏电阻)的电路。您的染料溶液将放置在光源和检测器之间,您将测量通过样品的光量,如图5所示。为了简化设置,您不会使用衍射光栅来分光从你的光源到不同的波长。相反,您将使用吸收滤光片波长选择器(蓝绿色水)产生所需的输入波长,该波长对应于Red 40的吸光度最大值(500纳米)。您的测量输出将是检测器的电阻水平。光敏电阻在黑暗中具有高电阻,并且其电阻随着光水平的增加而降低。光敏电阻的电阻与样品的吸光度有关,用数字万用表以欧姆(Ω)测量。随着样品吸收更多的光,较少的光通过溶液,因此电阻增加.

您自己的简化分光光度计设备的设置,用于测量染色溶液中食品染料Red 40的浓度
图5. 您自己的简化分光光度计设备的设置(不按比例),用于测量染色溶液中食品染料Red 40的浓度。来自LED的光在撞击探测器之前穿过滤光器(蓝绿色水)和样品(红色液体)。它还通过容纳液体的容器的侧面。这些侧面需要清晰,平整,宽1厘米。比色皿专为此应用而设计。

但我们如何从染料样品的吸光度到其浓度?这个问题由 Beer-Lambert定律(等式4)回答,该定律表明样品溶液中化学物质如红40的浓度直接比例它吸收的光量;如果你将化学物质或染料的浓度加倍,溶液会吸收两倍的光.

公式4:

  • A 是吸光度,无单位,
  • ε摩尔吸光系数 [L/(mol x cm)],
  • c 是浓度[mol/L]和
  • l 是通过样品的光的路径长度[cm]。

有意义的是,吸收的光量与光束通过溶液的路径的浓度和长度成比例。这些是日常观察中熟悉的概念。但摩尔吸光系数是多少?摩尔吸光系数的大小反映了分子吸收给定波长的光的程度。红色溶液(例如红色40)比吸收红光更好地吸收蓝光和绿光,这就是我们将其视为红色的原因。出于同样的原因,蓝色溶液比吸收蓝光更好地吸收黄色和红色光。溶液的颜色由分子不吸收的光的颜色决定,因为这是传递到眼睛的颜色。在吸收最多的波长处,摩尔吸光系数很高,如图4所示。

这是要处理的大量信息。花点时间了解 d 的原理吸附和吸附,然后打到实验室或厨房,染一些羊毛!

术语和概念

  • 吸附
  • 吸附质
  • 吸附剂
  • 化学吸附
  • 物理吸附
  • FD&amp; C Red 40
  • 酸性染料
  • 吸附平衡
  • 吸附等温线
  • Langmuir isotherm
  • 分光光度计
  • 波长
  • 光吸收
  • 光传输
  • 吸收光谱
  • 发光二极管(LED)
  • 光敏
  • 吸收过滤器
  • 波长选择器
  • 电阻
  • 欧姆
  • Beer-Lambert law
  • 摩尔吸光系数
  • 面包板
  • 标准
  • 校准曲线

问题

  • d 吸附与 b 吸附有什么区别?
  • 如何分类不同的染料,哪种染料最适合天然纤维和合成纤维?
  • 如何最好地优化特定的吸附过程以及哪些变量最重要?
  • 什么是不同的吸附等温线模型,它们之间有何不同?
  • 除染色外还会发生哪些吸附过程,为什么它们很重要?
  • 商业分光光度计如何工作以及可以使用什么?

参考书目

您可以在以下参考资料中找到有关纺织纤维和染料的更多信息:

如果您想了解有关吸附和吸附等温线的更多信息,可以使用以下参考文献:

有关万用表和面包板电路的帮助,请使用以下资源:


材料和设备 产品套件可用

这些特殊商品可以从我们的合作伙伴处购买主页科学工具:

  • 电子传感器套件(1)。从这个套件中,您将需要:
    • 无焊面包板(1)
    • 跳线(3)
    • 鳄鱼夹引线(2)
    • 9 V电池(1)
    • 9 V电池卡扣连接器(1)
    • 光敏
    • 高亮度白色LED(1)
    • 220Ω电阻(1)
    • 数字万用表

您还需要收集这些项目(此套件中未包含):

  • 塑料杯,16盎司(8)
  • 梅森罐子,12盎司(7);可从亚马逊
  • 液体食物颜色,蓝色和绿色
  • 2升瓶或碗,空着
  • Kool-Aid饮料混合单曲(每包15.6克),樱桃味,不加糖(4)
  • 自来水
  • 蒸馏白醋(1升)
  • 炉顶或烤箱
  • 烤箱手套
  • 大到足以容纳7个梅森罐子的锅
  • 液体温度计;可从亚马逊
  • 剪刀
  • 比色皿(3.5mL);可从亚马逊
  • 定时器
  • 100%羊毛(8件或弦)。您可以使用羊毛毡片(2.5厘米x 5厘米)或羊毛纱线(每个约26英寸)。根据您使用的材料,可能需要更短或更长的时间才能达到吸附平衡。经测试的羊毛毡和纱线包括:
    • 羊毛毡;可从亚马逊 [6-7小时达到吸附平衡]
    • 羊毛毡;可从 JoAnn 获得[4-5小时达到吸附平衡]
    • 羊毛纱;可从亚马逊 [6-7小时达到吸附平衡]
  • 量杯,公制
  • 用于覆盖分光光度计的小纸箱
  • 转移移液管或医用滴管(8);可从亚马逊
  • 永久性记号笔
  • 铝箔
  • 数字刻度,增量为0.1 g;一个适合的数字秤是Fast Weigh MS-500-BLK数字口袋秤,可从亚马逊
  • 清除磁带
  • 实验室笔记本

推荐项目用品

获得正确的耗材 – 经过选择和测试,以便与该项目合作

项目套件:69.95美元 View Kit

实验程序

构建分光光度计

在本节中,您将在面包板上组装电路。如果您以前从未使用过面包板,请参阅Science Buddies参考如何使用面包板在你继续之前。您可以按照一步一步的步骤幻灯片,将向您展示如何一次一个地将组件放入面包板中。或者,表1列出了面板上的每个组件及其位置.重要:请在继续之前阅读这些说明。

  • 电阻器标有彩色条带。这些颜色很重要。根据标记,确保为每一步选择合适的电阻器。
  • 重要的是某些组件面向哪个方向。有关插入每个部件的任何特殊注意事项,请务必阅读幻灯片标题。
  • 本节仅介绍如何组装电路。有关电路工作原理的详细说明,请参阅帮助部分.
幻灯片1色度计空白面包板 将9 V电池连接到卡扣连接器并将电池粘贴到面包板上并清除胶带。将黑色电线从电池连接到右侧的接地( - )总线 将电池的红线连接到左侧的电源(+)总线将光敏电阻从E28连接到F28。弯曲光敏电阻顶部的导线使平面朝向电池侧面。将黑色跳线插入A28孔。另一端连接万用表将红色跳线插入J28孔。另一端连接万用表将LED的较长引线插入孔E15,将较短的引线插入孔F15。弯曲LED使其朝向光敏电阻侧向指向。将H15的220电阻(红色,红色,棕色,金色)连接到地面( - )右侧的公共汽车。 将B15的红色跳线连接到左侧的电源(+)总线打开LED。slideshow 11 colorimeter

部件名称 图片 面包板符号 位置
9 V电池 9V battery 面包板9v电池符号 红线到(+)巴士
黑线到( – )总线
Photoresistor glossyistor 面包板光敏电阻符号
白色LED 来自Jameco的白色LED 面包板LED符号 长期导致E15
短期导致F15
跳线(3)  黑色跳线 面包板跳线黑色符号 A28到万用表
J28到万用表
B15到(+)公交车
220Ω电阻 220电阻图片 220电阻面包板符号 <! - 更大的电阻 - 面包板 - 符号 - > H15到( – )总线
表1。分光光度计电路的组件(图片来源:Jameco和Fritzing)。

测试分光光度计

完成电路构建后,必须测试分光光度计,以确保所有电子组件正确连接,并且您的设备按预期工作.注意:杂散光会导致问题,并可能导致数据波动。如果杂散光有问题,请在光线昏暗的房间内进行读数,并确保始终以同样的方式将比色皿放入设备中。它还有助于确保纸板箱始终以相同的方式放置在面包板的顶部,这意味着同一侧应始终面向您。

  1. 将一个空的比色杯倒置在LED上;还有另一个空的倒置的比色杯在光敏电阻上。如果比色皿四面都不清晰,但有两个带凹槽或磨砂的边,请确保将透明面朝向LED和光敏电阻。根据需要弯曲LED和光敏电阻以适应比色皿下方。
  2. 在LED和光敏电阻之间放置两个空的比色皿。再次确保您始终面对比色皿的透明侧面朝向LED和光敏电阻。四个比色皿应相互接触并形成一条直线。您可以使用透明胶带将比色皿固定在LED和光敏电阻上。但是不要阻挡光路!
  3. 来自LED的光线现在应直接照射到光敏电阻上,如图6所示。如果需要,弯曲LED和光敏电阻上的导线进行调整。
LED光敏电阻对齐
图6。确保LED和光敏电阻正确对齐。请注意,在此图中,比色皿未放置在光敏电阻和LED的顶部。

  1. 设置万用表以测量光敏电阻的电阻。
    1. 将黑色万用表探针插入标有COM的端口。
    2. 将红色万用表探头插入标有VΩmA的端口。
    3. 将拨盘设置转为200欧姆(Ω)。
    4. 打开电源开关。
    5. 使用鳄鱼夹将万用表探针连接到连接到来自A28和J28的光敏电阻的跳线。
  2. 通过将B15的跳线连接到电源(+)总线来打开LED。
  3. 用纸板箱盖住电路(但不是万用表)以阻挡环境光线。确保纸板箱的同一面每次都面向您。
  4. 读取光敏电阻上的电阻并将其记录在实验室笔记本中。
    1. 注意阻力的单位.”k” 表示千欧(kΩ)。
    2. 如果您的万用表屏幕显示”1″ ,则表示拨号设置的电阻太高。将拨盘转到下一个最高范围(例如,从200到2000)并再次检查。
    3. 如果这是您第一次使用万用表,请参阅Science Buddies资源如何使用万用表,特别是如何衡量阻力?部分,了解更多信息。
  5. 取下盒子,然后从电源(+)总线上拔下跳线,关闭LED。
  6. 再次用盒盖住电路。在黑暗中,电阻应在兆欧范围内。请记住,您可能需要调整拨盘设置才能进行测量。记录实验室笔记本中的电阻。
  7. 取下盒子并关闭万用表以节省电池电量。

校准分光光度计

现在您已经设置了分光光度计,下一步是使标准解决方案进行校准。如图7所示,您将制备一系列已知浓度的Red 40染料稀释液,并用分光光度计测量它们以创建校准曲线。每次稀释都是通过将溶液连续稀释一半来制备的。必须使用无染料餐具和杯子才能获得准确的标准。

分光光度计的校准解决方案。
图7. Red 40标准溶液用于校准分光光度计。

  1. 取八个干净的杯子并标上#1-8。
  2. 在2升的瓶子或碗中,将1600毫升自来水与400毫升蒸馏白醋混合,制成4:1的水醋溶液。
  3. 使用量杯将400 mL水/醋混合物倒入第一个杯子(#1)。每杯加入200毫升#2-8杯。
  4. 将1包(15.6克)不加糖的樱桃Kool-Aid单一饮料混合物加入#1杯中,用干净的勺子搅拌直至所有物质溶解.注意:一包(15.6克)不加糖的樱桃Kool-Aid单一饮料混合物含有47毫克红40食用染料。这意味着标准#1的Red 40浓度约为0.12 mg/mL。
  5. 用量杯从杯子#1倒入200毫升到#2杯中,然后用干净的勺子搅拌。
  6. 彻底冲洗量杯和勺子,将杯子#2中的200毫升与杯子#3中的水混合。
  7. 对杯子#4-7重复两倍稀释。杯#8将是你的”空白” ,不应含有任何染料。
  8. 标记八个干净的比色皿#1-8(在比色皿的最顶部,这样您就不会在写入时阻挡光路)并使用新鲜或冲洗的转移将七种标准溶液和空白转移到匹配的比色杯中每个吸管或医用滴管.注意:比色皿容纳约3 mL溶液。
  9. 准备你的蓝绿色吸收过滤器,在一个额外的杯子中加入120毫升(或1/2杯)的水醋混合物。加入两滴蓝色和两滴绿色液体食用色素染料,用干净的勺子将溶液混合均匀。
  10. 将蓝绿色溶液转移到干净的比色皿中,将比色皿放在LED旁边,使透明面朝向LED和光敏电阻。
  11. 将万用表设置为再次读取电阻。请记住,您可能需要在读取不同读数时调整范围。
  12. 首先,将没有染料的空白样品放在蓝绿色比色皿和光敏电阻之间,如左图8所示。同样,比色皿的透明侧面应朝向LED和光敏电阻。
测量过程中分光光度计的设置。
图8. 用于测量空白(左)和标准(右)溶液的分光光度计的设置。请注意,在这些照片中,LED仍然处于关闭状态,并且设置尚未用纸板箱覆盖

  1. 将B15的跳线插入电源(+)总线,打开LED,用小纸板箱盖住面包板。读取万用表上的电阻并将数据记录在实验室笔记本中。
  2. 取出空白比色皿,并用含有下一标准溶液的比色杯替换,从最低浓度开始。用纸板箱再次盖住面包板并记下此解决方案的阻力。继续测量七个标准中的每一个。
  3. 使用包括空白在内的整套标准重复步骤12-14两次.
  4. 在实验室笔记本中制作数据表,显示所有标准品中的Red 40染料的稀释度和浓度(#1 = 0.12 mg/mL,#2 = 0.06 mg/mL等)以及所有三种记录的抗性每种解决方案的测量。当溶液变暗时,阻力应该更高。

启动和监控染色过程

您将准备七种不同浓度的红40染料浴溶液,以比较吸附染料的浓度和吸附平衡时羊毛的颜色。

  1. 在2升的瓶子或碗中,将1200毫升自来水与300毫升蒸馏白醋混合,制备更多的水醋溶液。
  2. 取七个干净的梅森罐子并标上#1-7。
  3. 用量杯将300毫升的水醋溶液倒入#1罐中,然后将150毫升装入#2-7罐中。
  4. 将三包(15.6克)不加糖的樱桃Kool-Aid单一饮料混合物加入#1罐中,用干净的勺子搅拌至一切都溶解。
  5. 用量杯从罐子#1中倒入150毫升到罐子#2中,然后用干净的勺子搅拌。
  6. 彻底冲洗并擦干量杯和勺子,将罐子#2中的150 mL与罐子#3中的水混合。
  7. 对罐子#4-7重复两倍稀释。从罐子#7中丢弃150 mL染料溶液,这样每个瓶子中就有150 mL.Jars#1-7将成为您不同的染浴解决方案。
  8. 使用新鲜或冲洗过的移液管将每种溶液中的约3 mL转移到新鲜(和标记的)比色杯中,并在分光光度计上测量它们,如同之前使用标准品所述(从步骤12开始描述)在该部分校准分光光度计)。确保在顶部标记比色皿,并为每个溶液进行三次测量.注意:如果溶液的电阻超过校准曲线的最大电阻,请稀释样品并再次测量。您可以在新鲜的比色皿(1.5 mL水醋溶液+ 1.5 mL染料溶液)或1:6(2.5 mL水醋溶液+ 0.5 mL染料溶液)中进行1:2稀释。记下实验室笔记本中每个样品的电阻值。这些值将是您在0时间点的初始染料浓度( C 0 )。
  9. 用铝箔覆盖每个罐子的顶部以防止在水浴中蒸发。
  10. 用自来水填满一个装满所有七个罐装三个罐子的空锅,然后将其放在炉子上加热水直至沸腾。这将是您的水浴,以保持您的染色溶液在恒定温度.注意:在煮沸的水中工作时,请务必采取一切预防措施,不要烫伤自己!
  11. 一旦水沸腾,将所有染色溶液(罐子#1-7)放入水浴中,如图9所示。保持水浴沸腾,让它们加热约15分钟。您可能需要将燃烧器保持在较高的设置以加热染色溶液。在整个实验过程中,用温度计挑选一个罐子并监测溶液的温度.注意:如果罐子太大而无法放入锅中,您也可以将所有溶液转移到较小的梅森罐中。确保您选择的罐子能够承受沸水浴的热量。
在沸水浴中染色溶液。
图9. 将所有染色溶液放入炉子上的沸水浴中,并随时监测其温度。

  1. 取羊毛毡并切割相同尺寸的八个(约2.5厘米×5厘米)。如果你使用羊毛纱线,剪下8根长约26英寸的绳子。
  2. 称量每个部分或字符串,并在实验室笔记本中记录它们的质量.
  3. 一旦您的染色溶液达到约94-99°C,在每个罐子中加入一个羊毛毡片或绳子。你会保留一个用于颜色比较。跟踪你添加哪一个(关于他们的质量)哪个罐子。取一个干净的勺子,将羊毛毡或细绳浸入溶液中,确保它与各方面的染料接触良好。理想情况下,它应该放在罐子的底部。
  4. 启动计时器并将其设置为1小时。在那个小时内,保持水浴沸腾,并确保监测染浴溶液的温度(半小时后检查)。应始终保持在94-99°C之间。必要时,将沸水(从水壶中)加入水浴中以再次增加水位。
  5. 1小时后,使用干净的移液管从每种染料溶液中取出样品,并将其转移到带标签且干净的比色杯中。在分光光度计上测量每个样品和空白样品三次,如从该部分的步骤12开始所述校准分光光度计。记下实验室笔记本中每种溶液的测量电阻。请记住对每个样品进行稀释,超过校准曲线的电阻值.
  6. 再次将计时器设置为1小时,重复采样并测量染色溶液并每小时消隐一次,直到您看不到每个样品的电阻变化为止。根据您使用的羊毛材料,这可能需要4-7小时(有关详细信息,请参阅材料和设备部分)。确保每半小时监测染色溶液的温度.
  7. 大约4-7小时后,所有样品应达到或应接近吸附平衡,这意味着它们的阻力应达到平台。使用毛巾或烤箱手套将所有罐子从水浴中取出并检查溶液。在实验室笔记本中写下您的观察结果。您应该注意到所有溶液随着时间的推移变得不那么红,有些甚至可能变得清晰,如图10所示。同时,羊毛毡或纱线应该变得更红,因为它吸附了更多的红40。
染料溶液和羊毛毡处于吸附平衡状态。
图10. 吸附平衡的染色溶液。请注意,在染色过程中,一些溶液变得清澈,羊毛毡如何变成不同的红色。

  1. 用勺子小心地将羊毛毡片或绳子从罐子中取出,以免烫伤自己 – 并在自来水下短暂冲洗。让它们在一夜之间干燥并在第二天评估它们的颜色。

分析您的数据

  1. 打开计算机电子表格程序,例如Google表格或Microsoft Excel,然后输入校准曲线的电阻数据。计算每个样品的三个电阻读数的平均值。从您对染料样品的所有读数中减去您测量的空白阻力。此步骤减去了塑料,水醋和其他因素造成的光损失。
  2. 绘制y轴上三个读数的平均电阻与x轴上标准溶液的浓度(mg/mL).
  3. 在数据中添加趋势线并显示其等式及其相关因子R 2
  4. 对于每个时间点,在电子表格中输入您的阻力数据,并计算每个样本的三个读数的平均值。再次,从您对染料样品的所有读数中减去您测量的空白阻力。
  5. 使用校准曲线,确定每种样品溶液中红40染料的浓度( C 0 C t 的)。如果必须稀释样品,请记住考虑您的稀释因子.
  6. 现在,计算羊毛毡或纱线吸附的染料浓度。您可以通过从时间点0处的红色40的初始浓度减去溶液中红色40的测量浓度( C 吸附 = C 0)来实现该目的. – C t )。
  7. 绘制一张图表,显示羊毛毡或纱线上吸附染料的浓度随时间的变化,绘制x轴上的时间(小时)和y轴上吸附染料的浓度(mg/mL) 。图表如何查找每种染料浓度?您是否看到吸附的染料浓度在一段时间后趋于平稳?一旦吸附达到平台,就达到了吸附平衡。
  8. 从上一个时间点的数据,或达到吸附平衡时,您可以确定吸附等温线。为此,您必须根据​​简介中的公式3计算每种染料溶液(杯#1-7)的q e 。回头看看你的笔记,找到你的羊毛毡片或弦的质量(mg)。染浴的体积应为150 mL。
  9. 通过绘制C e ,在每个罐中平衡的红色40染料浓度,在x轴上(mg/mL)绘制染色过程在大约95°C的吸附等温线对于y轴上的每个Red 40浓度,并且q e .注意:查看参考书目,了解您的曲线是否符合预期趋势。从曲线平稳的位置开始,您可以确定吸附能力,或者可以吸附到羊毛毡或纱线中的Red 40染料的最大量。
  10. 现在您可以将数据拟合到Langmuir吸附等温线模型并确定Langmuir常数Q和b,如公式2中的​​简介所示。在电子表格中,计算1/C e (mL/mg染料)和1/q e (mg羊毛/mg染料)并绘制1/q e 在y轴上与x轴上的1/C e 相对应。你应该得到一条直线。在数据中添加趋势线并显示其等式和相关系数R 2 。根据趋势线的截距和斜率确定Langmuir常数Q和b,其中1/Q为截距,1/(Q b)为斜率。
  11. 您计算出的Q值(表示吸附能力或可以吸附到羊毛表面的最大红40)与您从步骤9的吸附等温线图中确定的实验值有多接近?
  12. 最后,看看每种染浴溶液中干燥的羊毛毡片或细绳。他们的颜色代表您从染色数据中得到的结果吗?用最高浓度的红40染色的羊毛毡或纱线的颜色与具有最低浓度的羊毛毡或纱线的颜色相比如何?您如何看待给定染料/纤维组合的吸附等温线知识对于纺织工业中的染色过程非常重要?

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变体形式

  • pH值如何影响染色过程?如​​简介中所述,酸性染料需要酸性pH才能发挥作用。但染色溶液的酸性如何才能获得良好的颜色吸附?降低pH值是否会增加吸附能力?做这个实验,并通过在溶液中加入更多的酸或碱来改变染浴的pH值.
  • 还有哪些因素会影响染色效果?在吸附过程中,Red 40染料和羊毛纤维形成离子键,赋予羊毛颜色。您是否可以通过在染色浴中添加另一种盐来干扰化学吸附,该染色浴与Red 40竞争羊毛纤维上的粘合位置?比较染色浴中的染色效果,添加和不添加额外的盐.
  • 当术语”等温线” 推断时,吸附等温线仅对某一恒定温度有效。如果改变染水浴的温度,您认为吸附等温线会如何变化?吸附平衡会有很大差异吗?在更高或更低的温度下达到吸附平衡需要更少的时间或更长时间吗?您可以通过在不同温度下重复染色实验来找到答案。确保您长时间监测实验以达到吸附平衡并相应地选择样品时间.
  • 羊毛是一种与红色40等酸性染料配合良好的天然纤维。还可以使用其他纤维吗?丝绸,另一种天然蛋白质纤维,同样适用吗?棉或丙烯酸呢?用不同的织物设置染色水浴并比较结果。
  • 对于不同的颜色,吸附等温线看起来是否相同;例如,食用染料蓝1?重复这个实验,但这次使用不同风味的Kool-Aid,其中包含食物颜色Blue 1而不是Red 40.请记住将分光光度计的吸附过滤器从蓝绿色更改为橙​​色(2滴在1/2杯水醋溶液中黄色和2滴红色食物染料。)
  • 您可以将您从本实验中获得的数据用于不同的吸附等温线模型,例如 Freundlich 等温线吗?查找此吸附等温线的等式,并使用您的数据制作与Langmuir等温线相似的图形。哪种等温模型更适合您的数据?