估(gu)算(suan)活性炭表面積(ji)和孔體積(ji)

　　活(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)是(shi)(shi)各(ge)種工藝(yi)中(zhong)非常重(zhong)(zhong)要的(de)(de)多孔(kong)材(cai)料(liao)。活(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)的(de)(de)主要用(yong)(yong)途是(shi)(shi)吸附(fu)氣相或液相中(zhong)的(de)(de)污染物，儲存氣體(ti) 并用(yong)(yong)作催化劑(ji)載體(ti)。活(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)等(deng)多孔(kong)材(cai)料(liao)通常有幾個(ge)物理參數，如表面積和(he)孔(kong)隙體(ti)積。在(zai)這些材(cai)料(liao)的(de)(de)開發中(zhong)，滿足這些物理性(xing)(xing)能(neng)是(shi)(shi)非常重(zhong)(zhong)要的(de)(de)，因(yin)為它(ta)們將直(zhi)接影響材(cai)料(liao)在(zai)其應(ying)用(yong)(yong)中(zhong)的(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)。

　　通常使用活性炭的(de)表(biao)面(mian)積(ji)BET液氮(dan)(dan)(dan)溫度(77)K)氮(dan)(dan)(dan)氣在不同(tong)壓力(li)(li)下(xia)吸附。然后(hou)根據BET表(biao)面(mian)積(ji)由氮(dan)(dan)(dan)分(fen)子(zi)的(de)橫(heng)截面(mian)積(ji)、阿伏加德羅數和氮(dan)(dan)(dan)的(de)特定單層容量的(de)乘積(ji)決(jue)定，由氮(dan)(dan)(dan)分(fen)子(zi)的(de)橫(heng)截面(mian)積(ji)決(jue)定BET進(jin)一(yi)步修改(gai)提出的(de)等(deng)式。氮(dan)(dan)(dan)吸附等(deng)溫線(xian)數據也用(yong)于測量孔(kong)體積(ji)。總孔(kong)體積(ji)根據*高相(xiang)對壓力(li)(li)下(xia)吸附的(de)氮(dan)(dan)(dan)量進(jin)行(xing)估計(ji)，并使用(yong)Dubinin-Radushkevich微孔(kong)體積(ji)從(cong)氮(dan)(dan)(dan)吸附等(deng)溫線(xian)計(ji)算。雖然這些(xie)方(fang)法在多(duo)孔(kong)材料(liao)的(de)表(biao)面(mian)積(ji)和孔(kong)體積(ji)測定中(zhong)被更多(duo)地(di)用(yong)作(zuo)參考，但這些(xie)方(fang)法耗時且昂貴。

　　通過亞(ya)甲(jia)基(ji)藍(lan)、碘等不同(tong)吸(xi)(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)物(wu)的(de)吸(xi)(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)特性(xing)，可以獲得更(geng)多關于(yu)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)結構的(de)信息(xi)。這(zhe)(zhe)些分(fen)子的(de)吸(xi)(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)料吸(xi)(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)能(neng)力(li)的(de)信息(xi)，這(zhe)(zhe)些分(fen)子的(de)吸(xi)(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)實驗很容易和習(xi)慣性(xing)地表示活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)。根據亞(ya)甲(jia)基(ji)藍(lan)分(fen)子的(de)大(da)小，它主要吸(xi)(xi)(xi)(xi)附(fu)(fu)(fu)在(zai)中孔(kong)中，但在(zai)較大(da)的(de)微孔(kong)中也發(fa)現了一小部分(fen)。至于(yu)亞(ya)甲(jia)藍(lan)，碘分(fen)子尺寸較差，可以滲透到(dao)微孔(kong)中。這(zhe)(zhe)些特征賦予了這(zhe)(zhe)些分(fen)子在(zai)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)物(wu)理結構研(yan)究中探針(zhen)的(de)潛(qian)力(li)。盡管如(ru)此，亞(ya)甲(jia)基(ji)藍(lan)與碘值的(de)定量關系和活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)的(de)結構特性(xing)還沒有詳細研(yan)究。

　　本文(wen)的(de)目(mu)的(de)是證明活性炭的(de)表面積(ji)，微孔(kong)體積(ji)和總孔(kong)體積(ji)可以通(tong)過碘和亞(ya)甲基藍的(de)數(shu)值進(jin)行多元化回(hui)歸來估算。該方法是考慮(lv)從(cong)不同的(de)前(qian)系統中提(ti)(ti)取(qu)的(de)活性炭樣品和從(cong)文(wen)獻中提(ti)(ti)取(qu)的(de)數(shu)據。

　　測試實驗開始：

　　活性炭樣品

　　方法開發了多種活性炭樣品(pin)的表(biao)面積、微孔體積、總(zong)孔體積、碘值和亞甲藍數量。

　　亞甲基藍(lan)(MBN)

　　亞(ya)甲藍(lan)數定義為1.0g吸附劑上吸附的染料*多。10..0毫(hao)克活(huo)性炭被置于與10.處理24小時不同濃度(du)(du)(10、25、50、100、250、500、1000毫(hao)克L亞(ya)甲藍(lan)溶液-1)，室溫下(約25℃)。使(shi)用UV / Vis分(fen)光光度(du)(du)計(Biosystems SP-2000)在645nm分(fen)析亞(ya)甲基藍(lan)的剩余濃度(du)(du)。

　　亞甲(jia)基(ji)藍液(ye)吸附的亞甲(jia)基(ji)藍量(liang)由式1計(ji)算：

　　其(qi)中C 0 (mg L -1)是開始時間(t = 0)亞甲基藍(lan)溶液的(de)濃度，C e(mg L -1)平衡亞甲藍(lan)溶液的(de)濃度，V(L)處理溶液體積，M(g)是吸附劑的(de)質(zhi)量。

　　為(wei)了確定Langmuir模型的亞甲(jia)基(ji)藍數，使用(yong)C e的函數作(zuo)出q eq曲線。Langmuir參數(q max 和K L)通過(guo)*小二乘(cheng)擬合(he)回歸找到。

　　碘值(IN)

　　碘(dian)(dian)(dian)(dian)值(zhi)根據ASTM D4607-94方法測(ce)定(ding)(ding)(ding)。碘(dian)(dian)(dian)(dian)值(zhi)定(ding)(ding)(ding)義為0.02N(0.02mol L -1)時，被(bei)1.0g碘(dian)(dian)(dian)(dian)的毫(hao)(hao)克數被(bei)碳(tan)吸(xi)附(fu)。該方法基于三(san)點等(deng)溫(wen)線。標準碘(dian)(dian)(dian)(dian)溶(rong)液在特(te)定(ding)(ding)(ding)條件下用(yong)(yong)三(san)種不(bu)同(tong)(tong)重量的活性(xing)炭處(chu)理。實(shi)驗包括用(yong)(yong)10.0mL的5%HCl處(chu)理活性(xing)炭樣品。將混合物(wu)煮30秒，然(ran)后冷(leng)卻。不(bu)久(jiu)之(zhi)后，將是100.0mL的0.1N(0.1mol L -1)將碘(dian)(dian)(dian)(dian)溶(rong)液加入混合物(wu)中(zhong)，攪拌30秒。過(guo)濾所(suo)得(de)溶(rong)液50.0毫(hao)(hao)升(sheng)濾液滴定(ding)(ding)(ding)用(yong)(yong)0.1N(0.硫代(dai)硫酸鈉，1摩爾(er)大(da)號-1)，以淀粉為指示劑。每克碳(tan)吸(xi)附(fu)的碘(dian)(dian)(dian)(dian)量(X / M)相對濾液(C)用(yong)(yong)對數軸(zhou)繪制中(zhong)碘(dian)(dian)(dian)(dian)濃度(du)。若殘留(liu)碘(dian)(dian)(dian)(dian)濃度(du)(C)不(bu)在0.008-0.04 N(0.008-0.04 mol L -在1)范圍內，每個等(deng)溫(wen)點應(ying)使用(yong)(yong)不(bu)同(tong)(tong)的碳(tan)質(zhi)重復整個過(guo)程。*小二乘(cheng)擬合回歸這三(san)點應(ying)用(yong)(yong)。碘(dian)(dian)(dian)(dian)值(zhi)為殘留(liu)濃度(du)(C)為0.02N(0.02mol L -1)時的 X / M值(zhi)。所(suo)述X / M和(he)C ^ 等(deng)式(shi)2和(he)3分別計算值(zhi)。

　　其(qi)中N I 是碘(dian)(dian)溶液(ye)的(de)當量濃度，V I碘(dian)(dian)溶液(ye)的(de)添加(jia)量，V HCl是5%HCl加(jia)入體積，V F 是滴(di)定(ding)中使用(yong)的(de)濾液(ye)體積，N Na 2 S 2O 3 鈉硫代硫酸鈉溶液(ye)正常，V Na 2 S 2 O 3 是硫代硫酸鈉溶液(ye)的(de)消耗量，M C 是活性炭的(de)質量。

　　比表面積

　　在77K氮吸附試(shi)(shi)驗用儀器確定試(shi)(shi)樣(yang)的(de)比表面積。吸附測量前，樣(yang)品(pin)為180℃過夜放氣(qi)BET模型擬(ni)合氮吸附等溫線，評估(gu)樣(yang)品(pin)的(de)比表面積。

　　孔體積

　　氮吸(xi)附等(deng)溫(wen)線(xian)數(shu)據被用于(yu)估(gu)計(ji)測試樣品的孔體(ti)積(ji)。總孔體(ti)積(ji)由相對壓力為(wei)0.估(gu)計(ji)98氮吸(xi)附量(liang)。Dubinin-Radushkevich微孔體(ti)積(ji)從(cong)氮吸(xi)附等(deng)溫(wen)線(xian)計(ji)算。

　　多元回歸

　　KS該(gai)算法用于(yu)分離校(xiao)準組和測(ce)試組中(zhong)的(de)(de)(de)樣(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)品。根據(ju)歐幾里德幾里德距(ju)(ju)離選(xuan)擇(ze)樣(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)本。前兩個樣(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)本相距(ju)(ju)*遠。以下(xia)樣(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)本是通(tong)過與之前選(xuan)擇(ze)的(de)(de)(de)樣(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)本的(de)(de)(de)距(ju)(ju)離來選(xuan)擇(ze)的(de)(de)(de)。校(xiao)準組中(zhong)不同樣(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)品量的(de)(de)(de)校(xiao)準。選(xuan)擇(ze)校(xiao)準中(zhong)使用的(de)(de)(de)樣(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)本數量來生(sheng)成(cheng)顯示測(ce)試組樣(yang)(yang)(yang)(yang)(yang)本的(de)(de)(de)*小(xiao)誤差模型(xing)。校(xiao)準模型(xing)采(cai)用*小(xiao)二乘擬合(he)，表(biao)面積由亞甲基藍(lan)和碘值確定，總孔體積和微孔體積估計。Matlab用于(yu)計算程序的(de)(de)(de)軟件(jian)。

　　結果分析：

　　*初(chu)建(jian)立表面圖，檢查(cha)活性炭樣品(pin)的(de)表面積(ji)、總孔(kong)體積(ji)和微孔(kong)體積(ji)與亞甲藍和碘(dian)值之(zhi)間的(de)關系。使(shi)用(yong)實驗部分引用(yong)的(de)樣品(pin)的(de)數據構建(jian)圖(圖1S，補(bu)充材料)。

　　在所有情(qing)況下，亞甲基(ji)(ji)藍和(he)碘(dian)的數量(liang)(liang)隨著表面(mian)積(ji)(ji)和(he)孔(kong)(kong)體(ti)積(ji)(ji)的比例而增加，這表明它們是測量(liang)(liang)這些(xie)性質的有趣探針(zhen)。事實上，亞甲基(ji)(ji)藍分(fen)子的面(mian)積(ji)(ji)為(wei)15.08納米(mi)2，只能進入大微孔(kong)(kong)和(he)中孔(kong)(kong)。5碘(dian)分(fen)子面(mian)積(ji)(ji)小15 為(wei)0.4nm 并且可以進入較小的微孔(kong)(kong)。

　　表面積建模

　　使用二次模型(xing)來描(miao)述與(yu)表(biao)(biao)面(mian)積(ji)相比(bi)的亞甲基(ji)藍和(he)碘(dian)的數量。對于模型(xing)開發，Kennard-Stone從(cong)(cong)105個樣本中選(xuan)擇27個樣本進行校(xiao)準(zhun)。樣品表(biao)(biao)面(mian)積(ji)從(cong)(cong)199到2105 m 2 g -1不(bu)等。亞甲基(ji)藍的數量在0到501毫克(ke)之間，碘(dian)值從(cong)(cong)155到1670毫克(ke)之間。建模后獲得的表(biao)(biao)面(mian)擬(ni)合(圖1)由公式4描(miao)述。

　　考慮到我們獲得的(de)(de)文(wen)獻和數據(ju)中的(de)(de)數據(ju)，通過該方(fang)程的(de)(de)表(biao)面(mian)積預測(ce)(ce)(ce)測(ce)(ce)(ce)試(shi)了(le)78個測(ce)(ce)(ce)試(shi)樣品。圖(tu)2顯示了(le)等式4預測(ce)(ce)(ce)的(de)(de)值和實(shi)驗BET值之(zhi)間的(de)(de)比較。

　　觀察(cha)值之間(jian)的(de)良(liang)好相(xiang)關性表明該模型(xing)具有良(liang)好的(de)預測(ce)能(neng)力。測(ce)試樣品中(zhong)觀察(cha)到的(de)平(ping)均(jun)絕對誤差為(wei)(wei)77.8米2 克(ke)-1的(de)平(ping)均(jun)相(xiang)對誤差為(wei)(wei)11.8%。表1給出了模型(xing)的(de)統計(ji)參數(shu)。

　　據報道，碘(dian)值可通過每次吸(xi)附(fu)1mg碘(dian)的(de)(de)表(biao)面積(ji)1m 為活(huo)性炭(tan)表(biao)面積(ji)提供關(guan)系。這一考慮是在本工(gong)作中使(shi)用的(de)(de)數(shu)據完成的(de)(de)，但誤差明顯高于(yu)使(shi)用等式4估計表(biao)面積(ji)時觀察到(dao)的(de)(de)誤差。*小二乘法擬合(he)只能(neng)考慮碘(dian)值，但誤差仍高于(yu)使(shi)用公式4時得(de)到(dao)的(de)(de)誤差。因此，碘(dian)值和亞(ya)甲基藍值對(dui)于(yu)估計活(huo)性炭(tan)的(de)(de)表(biao)面積(ji)很重要，因為這些材料有不同的(de)(de)孔徑(jing)，可以根據孔隙幾(ji)何結構由不同的(de)(de)分子獲(huo)得(de)。

　　微孔體積建模

　　微孔(kong)體積也用二次(ci)模(mo)型(xing)描述(shu)為(wei)亞甲藍和(he)碘(dian)值的函(han)數。該模(mo)型(xing)是在共50個(ge)樣本(ben)(ben)的幫助下建立(li)起來的，其(qi)中包括KS校(xiao)準選擇了14個(ge)樣本(ben)(ben)。校(xiao)準范(fan)圍為(wei)0.05至0.99cm 3 g -1.亞甲藍號(hao)-1和(he)碘(dian)號(hao)從(cong)2到(dao)427毫(hao)克從(cong)195到(dao)1670毫(hao)克-1變化(hua)。建模(mo)導致(zhi)表面擬合(he)(圖3)，由公式5描述(shu):

　　該方(fang)程適用于微孔體積預(yu)測(ce)(ce)(ce)(ce)，評估(gu)包(bao)含文獻中(zhong)的(de)數(shu)據和我們獲得的(de)數(shu)據的(de)測(ce)(ce)(ce)(ce)試樣(yang)本(ben)。共測(ce)(ce)(ce)(ce)試了(le)36個樣(yang)本(ben)。圖形比較(jiao)（圖4）表明該模型具(ju)有良好的(de)預(yu)測(ce)(ce)(ce)(ce)能力。測(ce)(ce)(ce)(ce)試樣(yang)品組的(de)平均絕對(dui)(dui)誤差為0.05cm 3 g -1.平均相對(dui)(dui)誤差為16.4%。表2給出了(le)模型的(de)統計參數(shu)。

　　由于(yu)微孔(kong)的(de)尺寸優先考(kao)慮(lv)碘(dian)分子，碘(dian)值也直接(jie)通過*小二乘回(hui)歸與微孔(kong)體積相關。然而，誤(wu)差高于(yu)考(kao)慮(lv)亞甲(jia)(jia)藍和碘(dian)值時(shi)的(de)誤(wu)差。這表明亞甲(jia)(jia)藍對微孔(kong)體積預測有一定的(de)貢獻，可能是由于(yu)大微孔(kong)的(de)吸附。

　　總孔體積建模

　　亞甲藍與(yu)碘(dian)值與(yu)總(zong)孔容之間的(de)(de)關系是(shi)通過(guo)線性模(mo)型建立的(de)(de)。Kennard-Stone從39中選(xuan)擇的(de)(de)10個(ge)樣本對表面進(jin)行建模(mo)(圖5)。

　　校準范圍被認(ren)為是0.09到1.11 cm 3 g -1.碘號(hao)從195到1294毫克-1和(he)2到427毫克變(bian)化的亞甲基藍數字-1。公式6描述了(le)該(gai)模型：

　　將29個樣品的(de)(de)測(ce)(ce)試組應用于測(ce)(ce)試總孔體積預測(ce)(ce)的(de)(de)方程。預測(ce)(ce)值(zhi)與(yu)參(can)考值(zhi)的(de)(de)一致(zhi)性良好。.04cm 3 g -平(ping)均絕對(dui)誤差和13.4%的(de)(de)平(ping)均相對(dui)誤差。表3給出(chu)了(le)模型的(de)(de)統計參(can)數(shu)。

　　在本文中(zhong)，我(wo)們展示了如何利用碘(dian)值和亞(ya)甲藍數來估計活(huo)(huo)性炭樣(yang)品的(de)(de)(de)表面積、微孔(kong)體(ti)(ti)積和總孔(kong)體(ti)(ti)積。用于測定碘(dian)和亞(ya)甲藍數量(liang)的(de)(de)(de)程序相對便宜(yi)和簡(jian)單，并且不需要使用復(fu)雜的(de)(de)(de)設(she)備(bei)。此外，開發的(de)(de)(de)方(fang)法允許從亞(ya)甲基藍和碘(dian)吸附研究中(zhong)提(ti)取比通(tong)常(chang)使用這種材料更多的(de)(de)(de)信(xin)息。雖然這種方(fang)法不能(neng)取代活(huo)(huo)性炭的(de)(de)(de)適當紋理特性，但對于沒有(you)氣體(ti)(ti)吸附實驗設(she)備(bei)的(de)(de)(de)實驗室(shi)來說，非(fei)常(chang)有(you)價值的(de)(de)(de)。