估算活性炭表面積和孔體(ti)積

　　活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)是各種工藝中非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)多孔材(cai)料(liao)。活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)的(de)主要(yao)用途是吸附氣相(xiang)或液相(xiang)中的(de)污染(ran)物，儲存氣體 并用作催化劑載體。活性(xing)(xing)(xing)炭(tan)等多孔材(cai)料(liao)通常(chang)有幾個物理參數，如(ru)表面積和孔隙體積。在這些(xie)材(cai)料(liao)的(de)開發中，滿足這些(xie)物理性(xing)(xing)(xing)能(neng)是非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)，因為(wei)它們將(jiang)直接影響材(cai)料(liao)在其應用中的(de)性(xing)(xing)(xing)能(neng)。

　　通常使用活性炭的(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)積(ji)(ji)(ji)BET液氮(dan)(dan)(dan)(dan)溫度(77)K)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)在不同壓力下(xia)吸(xi)附。然(ran)后根(gen)據BET表(biao)(biao)面(mian)(mian)積(ji)(ji)(ji)由(you)氮(dan)(dan)(dan)(dan)分子(zi)的(de)(de)(de)橫截面(mian)(mian)積(ji)(ji)(ji)、阿伏加德羅數和(he)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)特(te)定(ding)(ding)單層容量的(de)(de)(de)乘積(ji)(ji)(ji)決定(ding)(ding)，由(you)氮(dan)(dan)(dan)(dan)分子(zi)的(de)(de)(de)橫截面(mian)(mian)積(ji)(ji)(ji)決定(ding)(ding)BET進一步修改提出(chu)的(de)(de)(de)等式。氮(dan)(dan)(dan)(dan)吸(xi)附等溫線數據也用于測量孔體(ti)積(ji)(ji)(ji)。總(zong)孔體(ti)積(ji)(ji)(ji)根(gen)據*高相對壓力下(xia)吸(xi)附的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)量進行估計，并(bing)使用Dubinin-Radushkevich微孔體(ti)積(ji)(ji)(ji)從(cong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)吸(xi)附等溫線計算。雖然(ran)這(zhe)些方法(fa)在多(duo)孔材料的(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)積(ji)(ji)(ji)和(he)孔體(ti)積(ji)(ji)(ji)測定(ding)(ding)中被更多(duo)地用作參考，但這(zhe)些方法(fa)耗時且昂貴。

　　通(tong)過亞(ya)甲基藍(lan)、碘(dian)(dian)等(deng)不同(tong)吸(xi)附(fu)(fu)物的(de)(de)吸(xi)附(fu)(fu)特(te)性，可(ke)以獲得更多關于活性炭(tan)結構的(de)(de)信(xin)息(xi)(xi)。這(zhe)些(xie)(xie)分子(zi)的(de)(de)吸(xi)附(fu)(fu)料吸(xi)附(fu)(fu)能力的(de)(de)信(xin)息(xi)(xi)，這(zhe)些(xie)(xie)分子(zi)的(de)(de)吸(xi)附(fu)(fu)實(shi)驗很容易和(he)習慣性地表示(shi)活性炭(tan)。根據亞(ya)甲基藍(lan)分子(zi)的(de)(de)大小，它(ta)主要吸(xi)附(fu)(fu)在(zai)(zai)中孔中，但在(zai)(zai)較大的(de)(de)微孔中也發(fa)現了(le)一小部分。至于亞(ya)甲藍(lan)，碘(dian)(dian)分子(zi)尺寸較差，可(ke)以滲(shen)透到微孔中。這(zhe)些(xie)(xie)特(te)征賦予(yu)了(le)這(zhe)些(xie)(xie)分子(zi)在(zai)(zai)活性炭(tan)物理結構研(yan)究中探(tan)針的(de)(de)潛力。盡(jin)管(guan)如此，亞(ya)甲基藍(lan)與碘(dian)(dian)值的(de)(de)定量關系和(he)活性炭(tan)的(de)(de)結構特(te)性還(huan)沒有詳細研(yan)究。

　　本文(wen)的(de)(de)目(mu)的(de)(de)是(shi)證明(ming)活(huo)性(xing)炭的(de)(de)表(biao)面積，微孔體積和(he)總孔體積可以通過碘和(he)亞甲基藍的(de)(de)數值進(jin)行多(duo)元化回(hui)歸來估(gu)算。該方法(fa)是(shi)考(kao)慮從(cong)不同的(de)(de)前(qian)系統中提(ti)取的(de)(de)活(huo)性(xing)炭樣品和(he)從(cong)文(wen)獻(xian)中提(ti)取的(de)(de)數據。

　　測試實驗開始：

　　活性炭樣品

　　方(fang)法(fa)開(kai)發(fa)了多種活性炭樣品的表面積、微孔體積、總孔體積、碘值和(he)亞(ya)甲藍數量。

　　亞甲基藍(MBN)

　　亞(ya)甲藍數定義為1.0g吸附劑上吸附的染料(liao)*多。10..0毫克活性炭被(bei)置于與10.處理24小時(shi)不同(tong)濃(nong)度(10、25、50、100、250、500、1000毫克L亞(ya)甲藍溶液-1)，室(shi)溫下(約25℃)。使(shi)用UV / Vis分光(guang)光(guang)度計(Biosystems SP-2000)在645nm分析亞(ya)甲基藍的剩余濃(nong)度。

　　亞(ya)(ya)甲基藍(lan)液吸附的亞(ya)(ya)甲基藍(lan)量由式1計(ji)算(suan)：

　　其中C 0 (mg L -1)是(shi)開始時間(t = 0)亞(ya)甲(jia)基藍溶(rong)液(ye)的(de)濃度，C e(mg L -1)平衡亞(ya)甲(jia)藍溶(rong)液(ye)的(de)濃度，V(L)處理溶(rong)液(ye)體積，M(g)是(shi)吸附劑(ji)的(de)質量。

　　為了確定Langmuir模型的(de)亞甲基(ji)藍數(shu)，使用C e的(de)函數(shu)作出q eq曲線。Langmuir參數(shu)(q max 和K L)通過*小(xiao)二乘擬合回歸找到。

　　碘值(IN)

　　碘(dian)(dian)值根據ASTM D4607-94方(fang)(fang)法(fa)測定。碘(dian)(dian)值定義為0.02N(0.02mol L -1)時，被(bei)1.0g碘(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)毫(hao)克(ke)數(shu)被(bei)碳吸(xi)附。該方(fang)(fang)法(fa)基于三點等(deng)溫線。標準碘(dian)(dian)溶液在(zai)特(te)定條件下用(yong)(yong)三種不(bu)同重量的(de)(de)(de)(de)活(huo)性炭處理(li)。實驗(yan)包(bao)括用(yong)(yong)10.0mL的(de)(de)(de)(de)5%HCl處理(li)活(huo)性炭樣品。將混合(he)(he)物(wu)煮30秒(miao)，然后(hou)冷卻。不(bu)久之后(hou)，將是(shi)100.0mL的(de)(de)(de)(de)0.1N(0.1mol L -1)將碘(dian)(dian)溶液加入(ru)混合(he)(he)物(wu)中(zhong)，攪拌30秒(miao)。過(guo)濾(lv)所得(de)溶液50.0毫(hao)升濾(lv)液滴定用(yong)(yong)0.1N(0.硫代硫酸鈉，1摩爾(er)大號(hao)-1)，以(yi)淀粉為指示劑(ji)。每(mei)克(ke)碳吸(xi)附的(de)(de)(de)(de)碘(dian)(dian)量(X / M)相對濾(lv)液(C)用(yong)(yong)對數(shu)軸繪制中(zhong)碘(dian)(dian)濃度。若(ruo)殘留碘(dian)(dian)濃度(C)不(bu)在(zai)0.008-0.04 N(0.008-0.04 mol L -在(zai)1)范圍內，每(mei)個等(deng)溫點應使用(yong)(yong)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)碳質(zhi)重復整個過(guo)程。*小二(er)乘擬合(he)(he)回歸這三點應用(yong)(yong)。碘(dian)(dian)值為殘留濃度(C)為0.02N(0.02mol L -1)時的(de)(de)(de)(de) X / M值。所述X / M和C ^ 等(deng)式2和3分(fen)別計算值。

　　其中(zhong)N I 是(shi)碘溶(rong)(rong)液的當量(liang)濃度，V I碘溶(rong)(rong)液的添(tian)加(jia)量(liang)，V HCl是(shi)5%HCl加(jia)入體積，V F 是(shi)滴定(ding)中(zhong)使(shi)用(yong)的濾液體積，N Na 2 S 2O 3 鈉(na)硫(liu)代(dai)硫(liu)酸鈉(na)溶(rong)(rong)液正常(chang)，V Na 2 S 2 O 3 是(shi)硫(liu)代(dai)硫(liu)酸鈉(na)溶(rong)(rong)液的消耗量(liang)，M C 是(shi)活性炭的質量(liang)。

　　比表面積

　　在(zai)77K氮吸(xi)附(fu)試驗(yan)用儀(yi)器確(que)定試樣(yang)的(de)(de)比表面(mian)積。吸(xi)附(fu)測量前，樣(yang)品為180℃過(guo)夜放氣BET模型擬合(he)氮吸(xi)附(fu)等溫線，評(ping)估(gu)樣(yang)品的(de)(de)比表面(mian)積。

　　孔體積

　　氮(dan)(dan)吸(xi)附(fu)等溫(wen)線數據(ju)被用于估(gu)計測試樣品(pin)的孔(kong)體積。總孔(kong)體積由相對壓力為0.估(gu)計98氮(dan)(dan)吸(xi)附(fu)量。Dubinin-Radushkevich微(wei)孔(kong)體積從氮(dan)(dan)吸(xi)附(fu)等溫(wen)線計算。

　　多元回歸

　　KS該算法用(yong)(yong)于分離(li)校(xiao)準(zhun)(zhun)組(zu)(zu)和測(ce)試組(zu)(zu)中的(de)(de)樣(yang)(yang)(yang)品(pin)。根據歐(ou)幾里(li)德幾里(li)德距(ju)離(li)選(xuan)擇(ze)樣(yang)(yang)(yang)本。前(qian)兩個樣(yang)(yang)(yang)本相距(ju)*遠。以(yi)下樣(yang)(yang)(yang)本是通過與之前(qian)選(xuan)擇(ze)的(de)(de)樣(yang)(yang)(yang)本的(de)(de)距(ju)離(li)來選(xuan)擇(ze)的(de)(de)。校(xiao)準(zhun)(zhun)組(zu)(zu)中不同樣(yang)(yang)(yang)品(pin)量的(de)(de)校(xiao)準(zhun)(zhun)。選(xuan)擇(ze)校(xiao)準(zhun)(zhun)中使用(yong)(yong)的(de)(de)樣(yang)(yang)(yang)本數(shu)量來生成顯示測(ce)試組(zu)(zu)樣(yang)(yang)(yang)本的(de)(de)*小誤(wu)差模型。校(xiao)準(zhun)(zhun)模型采(cai)用(yong)(yong)*小二乘擬合，表面積(ji)由亞甲(jia)基藍和碘值確(que)定，總孔體(ti)積(ji)和微孔體(ti)積(ji)估計。Matlab用(yong)(yong)于計算程序的(de)(de)軟件。

　　結果分析：

　　*初建立表面圖(tu)，檢查活性炭樣品的(de)(de)表面積、總孔體積和微(wei)孔體積與亞甲藍(lan)和碘值之間的(de)(de)關系。使用實(shi)驗部分引用的(de)(de)樣品的(de)(de)數(shu)據(ju)構建圖(tu)(圖(tu)1S，補充材料(liao))。

　　在所(suo)有情況下，亞甲(jia)基藍和(he)碘(dian)(dian)的(de)(de)數量隨著表面積和(he)孔(kong)(kong)體積的(de)(de)比例(li)而增加(jia)，這表明它們(men)是測量這些性質的(de)(de)有趣探針。事實上，亞甲(jia)基藍分(fen)子的(de)(de)面積為(wei)(wei)15.08納米2，只能進入大微孔(kong)(kong)和(he)中孔(kong)(kong)。5碘(dian)(dian)分(fen)子面積小15 為(wei)(wei)0.4nm 并且可以進入較小的(de)(de)微孔(kong)(kong)。

　　表面積建模

　　使用(yong)二次模(mo)型來描述與表面(mian)積相比的(de)(de)亞甲(jia)基(ji)藍和碘的(de)(de)數量。對于模(mo)型開發，Kennard-Stone從105個樣(yang)本中選擇27個樣(yang)本進行校準。樣(yang)品(pin)表面(mian)積從199到(dao)2105 m 2 g -1不(bu)等。亞甲(jia)基(ji)藍的(de)(de)數量在(zai)0到(dao)501毫克(ke)之間，碘值從155到(dao)1670毫克(ke)之間。建(jian)模(mo)后獲得的(de)(de)表面(mian)擬合(圖(tu)1)由公式4描述。

　　考慮到我們獲(huo)得的(de)(de)文獻和數據中(zhong)的(de)(de)數據，通過該方程(cheng)的(de)(de)表(biao)面積(ji)預測(ce)測(ce)試了(le)78個測(ce)試樣品。圖2顯示了(le)等式4預測(ce)的(de)(de)值(zhi)和實驗BET值(zhi)之(zhi)間的(de)(de)比較。

　　觀(guan)(guan)察值(zhi)之間的(de)良好相(xiang)關(guan)性表明該(gai)模型具(ju)有(you)良好的(de)預(yu)測能力(li)。測試(shi)樣品(pin)中觀(guan)(guan)察到的(de)平(ping)均絕對誤差(cha)為77.8米(mi)2 克-1的(de)平(ping)均相(xiang)對誤差(cha)為11.8%。表1給出了模型的(de)統計(ji)參數。

　　據(ju)(ju)報道(dao)，碘(dian)(dian)值(zhi)(zhi)可通過(guo)每(mei)次(ci)吸附1mg碘(dian)(dian)的(de)表(biao)(biao)面(mian)積1m 為(wei)活(huo)(huo)性炭表(biao)(biao)面(mian)積提供關系。這一(yi)考(kao)慮(lv)是在本工作中使(shi)用的(de)數據(ju)(ju)完(wan)成的(de)，但誤差(cha)明顯高于使(shi)用等式4估(gu)計(ji)表(biao)(biao)面(mian)積時觀察到(dao)(dao)的(de)誤差(cha)。*小(xiao)二(er)乘法擬合只能考(kao)慮(lv)碘(dian)(dian)值(zhi)(zhi)，但誤差(cha)仍高于使(shi)用公式4時得(de)到(dao)(dao)的(de)誤差(cha)。因此，碘(dian)(dian)值(zhi)(zhi)和亞甲基藍值(zhi)(zhi)對于估(gu)計(ji)活(huo)(huo)性炭的(de)表(biao)(biao)面(mian)積很(hen)重要，因為(wei)這些材(cai)料(liao)有不同(tong)(tong)的(de)孔徑(jing)，可以根據(ju)(ju)孔隙幾何結構由不同(tong)(tong)的(de)分子(zi)獲得(de)。

　　微孔體積建模

　　微孔體積也(ye)用二(er)次(ci)模型描述(shu)(shu)為亞(ya)甲藍和(he)碘(dian)(dian)值的函(han)數。該模型是在共(gong)50個樣(yang)本的幫助下(xia)建立(li)起來(lai)的，其中包括KS校準(zhun)選擇了14個樣(yang)本。校準(zhun)范(fan)圍為0.05至0.99cm 3 g -1.亞(ya)甲藍號(hao)-1和(he)碘(dian)(dian)號(hao)從(cong)2到(dao)427毫(hao)克(ke)從(cong)195到(dao)1670毫(hao)克(ke)-1變化。建模導致表(biao)面擬合(圖3)，由(you)公式5描述(shu)(shu):

　　該(gai)方(fang)程適用于微孔體積預測(ce)，評估(gu)包(bao)含(han)文(wen)獻中(zhong)的(de)數據(ju)和我們獲(huo)得的(de)數據(ju)的(de)測(ce)試樣本(ben)。共(gong)測(ce)試了36個樣本(ben)。圖形(xing)比較（圖4）表明該(gai)模型具(ju)有良好的(de)預測(ce)能力(li)。測(ce)試樣品組(zu)的(de)平均絕對(dui)誤(wu)差為0.05cm 3 g -1.平均相對(dui)誤(wu)差為16.4%。表2給出了模型的(de)統(tong)計參數。

　　由于(yu)微孔(kong)(kong)的(de)尺寸優(you)先(xian)考慮(lv)碘(dian)分子(zi)，碘(dian)值也(ye)直(zhi)接通過*小(xiao)二乘回歸與微孔(kong)(kong)體積相關。然而(er)，誤差高(gao)于(yu)考慮(lv)亞甲藍和(he)碘(dian)值時的(de)誤差。這表明亞甲藍對(dui)微孔(kong)(kong)體積預測(ce)有一定的(de)貢獻，可(ke)能是由于(yu)大微孔(kong)(kong)的(de)吸附。

　　總孔體積建模

　　亞(ya)甲(jia)藍(lan)與(yu)碘(dian)值與(yu)總(zong)孔(kong)容之間的關系是通(tong)過線性(xing)模型建(jian)立的。Kennard-Stone從39中選擇的10個(ge)樣(yang)本對表面(mian)進(jin)行建(jian)模(圖(tu)5)。

　　校(xiao)準范圍被認為(wei)是0.09到(dao)1.11 cm 3 g -1.碘號從195到(dao)1294毫克-1和2到(dao)427毫克變(bian)化的(de)亞甲(jia)基藍數字-1。公(gong)式6描述(shu)了該模型：

　　將29個樣品的(de)測(ce)試(shi)組應用于測(ce)試(shi)總(zong)孔體積預(yu)測(ce)的(de)方程。預(yu)測(ce)值(zhi)與參考值(zhi)的(de)一(yi)致性良好。.04cm 3 g -平(ping)均(jun)絕對(dui)誤差和(he)13.4%的(de)平(ping)均(jun)相對(dui)誤差。表(biao)3給出了模型的(de)統計參數。

　　在(zai)本文中，我們展示(shi)了如何(he)利用(yong)碘值和(he)亞(ya)甲藍數來估計活性炭樣品的(de)(de)表(biao)面(mian)積、微孔體積和(he)總孔體積。用(yong)于測定碘和(he)亞(ya)甲藍數量的(de)(de)程(cheng)序相(xiang)對便宜和(he)簡單(dan)，并(bing)且(qie)不(bu)需要使(shi)用(yong)復雜的(de)(de)設(she)備。此外，開發(fa)的(de)(de)方法允許(xu)從亞(ya)甲基藍和(he)碘吸(xi)附(fu)研究中提(ti)取比通常使(shi)用(yong)這種材(cai)料(liao)更多的(de)(de)信息。雖然這種方法不(bu)能取代活性炭的(de)(de)適當紋理特性，但對于沒(mei)有(you)氣體吸(xi)附(fu)實(shi)驗(yan)設(she)備的(de)(de)實(shi)驗(yan)室(shi)來說，非常有(you)價(jia)值的(de)(de)。