估算活性(xing)炭表面積(ji)(ji)和孔體積(ji)(ji)

　　活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭是(shi)各(ge)種工(gong)藝中(zhong)非(fei)常重(zhong)要(yao)的(de)多(duo)孔(kong)材料。活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭的(de)主(zhu)要(yao)用途是(shi)吸附氣相(xiang)(xiang)或液相(xiang)(xiang)中(zhong)的(de)污(wu)染物，儲(chu)存氣體(ti)(ti) 并用作催化(hua)劑載體(ti)(ti)。活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭等多(duo)孔(kong)材料通常有幾個物理(li)(li)參數，如表面積和孔(kong)隙(xi)體(ti)(ti)積。在(zai)這些材料的(de)開發中(zhong)，滿足這些物理(li)(li)性(xing)(xing)(xing)能是(shi)非(fei)常重(zhong)要(yao)的(de)，因為它們將直(zhi)接影響材料在(zai)其(qi)應用中(zhong)的(de)性(xing)(xing)(xing)能。

　　通常使用活性炭的表面(mian)積BET液氮(dan)(dan)(dan)溫(wen)度(du)(77)K)氮(dan)(dan)(dan)氣(qi)在不(bu)同(tong)壓力下(xia)吸(xi)附(fu)。然(ran)后根(gen)據BET表面(mian)積由氮(dan)(dan)(dan)分子(zi)的橫截面(mian)積、阿伏加德羅數和氮(dan)(dan)(dan)的特(te)定(ding)單(dan)層容量的乘積決(jue)定(ding)，由氮(dan)(dan)(dan)分子(zi)的橫截面(mian)積決(jue)定(ding)BET進(jin)(jin)一步修改(gai)提出的等(deng)式(shi)。氮(dan)(dan)(dan)吸(xi)附(fu)等(deng)溫(wen)線(xian)(xian)數據也用于測量孔(kong)體積。總(zong)孔(kong)體積根(gen)據*高相對壓力下(xia)吸(xi)附(fu)的氮(dan)(dan)(dan)量進(jin)(jin)行估計，并使用Dubinin-Radushkevich微(wei)孔(kong)體積從氮(dan)(dan)(dan)吸(xi)附(fu)等(deng)溫(wen)線(xian)(xian)計算(suan)。雖然(ran)這(zhe)些方法在多(duo)孔(kong)材料的表面(mian)積和孔(kong)體積測定(ding)中(zhong)被(bei)更多(duo)地用作參考(kao)，但這(zhe)些方法耗時且(qie)昂貴。

　　通過(guo)亞甲(jia)基藍、碘等不(bu)同吸(xi)附(fu)物的(de)(de)(de)吸(xi)附(fu)特(te)(te)性(xing)，可以獲得更多(duo)關于活性(xing)炭(tan)結構的(de)(de)(de)信息(xi)。這些(xie)(xie)分(fen)子的(de)(de)(de)吸(xi)附(fu)料吸(xi)附(fu)能力的(de)(de)(de)信息(xi)，這些(xie)(xie)分(fen)子的(de)(de)(de)吸(xi)附(fu)實驗很容易和(he)習慣性(xing)地表示活性(xing)炭(tan)。根據亞甲(jia)基藍分(fen)子的(de)(de)(de)大小(xiao)，它(ta)主(zhu)要吸(xi)附(fu)在(zai)中(zhong)(zhong)孔中(zhong)(zhong)，但在(zai)較大的(de)(de)(de)微(wei)孔中(zhong)(zhong)也(ye)發現了(le)(le)一(yi)小(xiao)部分(fen)。至于亞甲(jia)藍，碘分(fen)子尺(chi)寸較差，可以滲(shen)透到微(wei)孔中(zhong)(zhong)。這些(xie)(xie)特(te)(te)征賦(fu)予了(le)(le)這些(xie)(xie)分(fen)子在(zai)活性(xing)炭(tan)物理(li)結構研究中(zhong)(zhong)探針的(de)(de)(de)潛力。盡(jin)管(guan)如此，亞甲(jia)基藍與碘值的(de)(de)(de)定量關系和(he)活性(xing)炭(tan)的(de)(de)(de)結構特(te)(te)性(xing)還沒有詳細(xi)研究。

　　本文(wen)的目的是證明活性炭的表(biao)面積，微孔體(ti)積和(he)(he)總孔體(ti)積可(ke)以通過(guo)碘和(he)(he)亞甲基藍的數值進行多元化回歸來(lai)估算(suan)。該方(fang)法(fa)是考慮從(cong)不同的前系統中提(ti)取的活性炭樣品和(he)(he)從(cong)文(wen)獻(xian)中提(ti)取的數據。

　　測試實驗開始：

　　活性炭樣品

　　方法開發了(le)多種活(huo)性炭樣(yang)品的(de)表面(mian)積、微(wei)孔體積、總(zong)孔體積、碘值和亞甲藍(lan)數量。

　　亞甲(jia)基藍(MBN)

　　亞甲藍(lan)數定(ding)義為1.0g吸附劑上吸附的(de)染料*多。10..0毫克活性(xing)炭(tan)被置于與10.處理24小時(shi)不同(tong)濃度(10、25、50、100、250、500、1000毫克L亞甲藍(lan)溶液-1)，室溫下(約(yue)25℃)。使用UV / Vis分光(guang)光(guang)度計(Biosystems SP-2000)在645nm分析(xi)亞甲基藍(lan)的(de)剩(sheng)余濃度。

　　亞甲(jia)基藍(lan)液吸附的亞甲(jia)基藍(lan)量由式(shi)1計算(suan)：

　　其(qi)中(zhong)C 0 (mg L -1)是(shi)(shi)開始時間(t = 0)亞(ya)甲(jia)基藍溶液(ye)(ye)的濃度，C e(mg L -1)平(ping)衡亞(ya)甲(jia)藍溶液(ye)(ye)的濃度，V(L)處理(li)溶液(ye)(ye)體(ti)積，M(g)是(shi)(shi)吸附劑的質量。

　　為了確定Langmuir模型(xing)的亞甲基藍數(shu)，使用(yong)C e的函數(shu)作出q eq曲(qu)線。Langmuir參數(shu)(q max 和K L)通過*小二乘擬(ni)合回歸找到。

　　碘值(IN)

　　碘(dian)(dian)(dian)值根據ASTM D4607-94方法測定。碘(dian)(dian)(dian)值定義為(wei)0.02N(0.02mol L -1)時，被1.0g碘(dian)(dian)(dian)的(de)(de)毫(hao)克(ke)(ke)數(shu)被碳吸附。該方法基于(yu)三點(dian)等溫線。標準碘(dian)(dian)(dian)溶(rong)液(ye)(ye)在特定條件下用(yong)三種不(bu)同重量的(de)(de)活性炭處(chu)理。實驗包(bao)括用(yong)10.0mL的(de)(de)5%HCl處(chu)理活性炭樣品。將(jiang)混合物煮30秒，然(ran)后冷(leng)卻。不(bu)久之后，將(jiang)是100.0mL的(de)(de)0.1N(0.1mol L -1)將(jiang)碘(dian)(dian)(dian)溶(rong)液(ye)(ye)加入混合物中，攪拌30秒。過濾所得溶(rong)液(ye)(ye)50.0毫(hao)升濾液(ye)(ye)滴定用(yong)0.1N(0.硫代硫酸(suan)鈉，1摩爾大號-1)，以淀粉為(wei)指示(shi)劑。每克(ke)(ke)碳吸附的(de)(de)碘(dian)(dian)(dian)量(X / M)相對濾液(ye)(ye)(C)用(yong)對數(shu)軸繪(hui)制中碘(dian)(dian)(dian)濃度。若殘(can)留碘(dian)(dian)(dian)濃度(C)不(bu)在0.008-0.04 N(0.008-0.04 mol L -在1)范圍內，每個等溫點(dian)應使(shi)用(yong)不(bu)同的(de)(de)碳質重復整個過程。*小二乘擬合回歸這(zhe)三點(dian)應用(yong)。碘(dian)(dian)(dian)值為(wei)殘(can)留濃度(C)為(wei)0.02N(0.02mol L -1)時的(de)(de) X / M值。所述X / M和(he)C ^ 等式2和(he)3分(fen)別計算值。

　　其中(zhong)N I 是碘溶液(ye)的(de)當量(liang)濃度，V I碘溶液(ye)的(de)添加量(liang)，V HCl是5%HCl加入(ru)體積，V F 是滴定中(zhong)使用的(de)濾液(ye)體積，N Na 2 S 2O 3 鈉硫代(dai)硫酸鈉溶液(ye)正常，V Na 2 S 2 O 3 是硫代(dai)硫酸鈉溶液(ye)的(de)消耗量(liang)，M C 是活性(xing)炭的(de)質(zhi)量(liang)。

　　比表面積

　　在77K氮吸附(fu)(fu)試驗(yan)用儀(yi)器確定試樣的比(bi)表(biao)面積(ji)(ji)。吸附(fu)(fu)測量(liang)前，樣品(pin)為180℃過(guo)夜(ye)放(fang)氣BET模型擬合氮吸附(fu)(fu)等溫(wen)線(xian)，評估樣品(pin)的比(bi)表(biao)面積(ji)(ji)。

　　孔體積

　　氮吸附(fu)等溫線(xian)數據(ju)被(bei)用于(yu)估計(ji)測試樣品的孔(kong)(kong)體(ti)積(ji)。總孔(kong)(kong)體(ti)積(ji)由相對壓力為0.估計(ji)98氮吸附(fu)量。Dubinin-Radushkevich微孔(kong)(kong)體(ti)積(ji)從氮吸附(fu)等溫線(xian)計(ji)算。

　　多元回歸

　　KS該算法(fa)用(yong)(yong)于(yu)分離(li)校準(zhun)組(zu)(zu)和(he)(he)測試組(zu)(zu)中的(de)(de)(de)(de)樣(yang)品。根(gen)據歐幾里(li)德(de)幾里(li)德(de)距離(li)選擇(ze)(ze)樣(yang)本。前兩個樣(yang)本相距*遠。以下樣(yang)本是通過與之(zhi)前選擇(ze)(ze)的(de)(de)(de)(de)樣(yang)本的(de)(de)(de)(de)距離(li)來選擇(ze)(ze)的(de)(de)(de)(de)。校準(zhun)組(zu)(zu)中不同(tong)樣(yang)品量(liang)的(de)(de)(de)(de)校準(zhun)。選擇(ze)(ze)校準(zhun)中使用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)樣(yang)本數量(liang)來生成(cheng)顯(xian)示測試組(zu)(zu)樣(yang)本的(de)(de)(de)(de)*小誤差模型(xing)。校準(zhun)模型(xing)采用(yong)(yong)*小二乘擬(ni)合，表(biao)面積(ji)由亞(ya)甲基藍和(he)(he)碘值確定，總孔體積(ji)和(he)(he)微孔體積(ji)估計(ji)。Matlab用(yong)(yong)于(yu)計(ji)算程序的(de)(de)(de)(de)軟(ruan)件(jian)。

　　結果分析：

　　*初(chu)建(jian)立表面圖，檢查活(huo)性炭樣品的(de)表面積、總(zong)孔體積和(he)微孔體積與亞甲藍(lan)和(he)碘值之(zhi)間的(de)關系。使用實驗部分引用的(de)樣品的(de)數據(ju)構建(jian)圖(圖1S，補充材料)。

　　在所(suo)有(you)情(qing)況下，亞(ya)甲(jia)(jia)基藍和(he)碘(dian)的(de)數量(liang)隨(sui)著表(biao)面積和(he)孔(kong)體積的(de)比例而增加(jia)，這表(biao)明它(ta)們是(shi)測量(liang)這些性質的(de)有(you)趣探(tan)針。事實上，亞(ya)甲(jia)(jia)基藍分子(zi)的(de)面積為15.08納米2，只能(neng)進入大微孔(kong)和(he)中孔(kong)。5碘(dian)分子(zi)面積小15 為0.4nm 并(bing)且可以進入較小的(de)微孔(kong)。

　　表面積建模

　　使用二次模(mo)型來描述與表(biao)(biao)(biao)面積相比的(de)亞(ya)甲基藍和碘(dian)的(de)數(shu)量(liang)。對(dui)于模(mo)型開發，Kennard-Stone從(cong)(cong)105個(ge)樣本中選擇27個(ge)樣本進行校準。樣品表(biao)(biao)(biao)面積從(cong)(cong)199到(dao)2105 m 2 g -1不等(deng)。亞(ya)甲基藍的(de)數(shu)量(liang)在0到(dao)501毫克之間，碘(dian)值從(cong)(cong)155到(dao)1670毫克之間。建模(mo)后獲得的(de)表(biao)(biao)(biao)面擬合(圖1)由公式4描述。

　　考(kao)慮到我們獲得的文獻和(he)數據中的數據，通(tong)過該方(fang)程的表面積預(yu)測測試(shi)了78個測試(shi)樣品。圖2顯示了等(deng)式4預(yu)測的值和(he)實驗BET值之間的比較。

　　觀察(cha)值之間的(de)良好(hao)相(xiang)關性(xing)表明該模(mo)型(xing)具有良好(hao)的(de)預測能(neng)力。測試樣品(pin)中觀察(cha)到(dao)的(de)平均絕(jue)對誤差(cha)為(wei)77.8米2 克-1的(de)平均相(xiang)對誤差(cha)為(wei)11.8%。表1給出(chu)了模(mo)型(xing)的(de)統計參數。

　　據報(bao)道，碘(dian)值可通過每次吸附1mg碘(dian)的(de)(de)表面積(ji)1m 為(wei)活性炭表面積(ji)提供關系。這一考(kao)慮是在(zai)本(ben)工作(zuo)中使(shi)用(yong)的(de)(de)數據完成的(de)(de)，但誤(wu)差(cha)明顯高于(yu)使(shi)用(yong)等式4估計表面積(ji)時觀察到的(de)(de)誤(wu)差(cha)。*小二乘法擬(ni)合只能考(kao)慮碘(dian)值，但誤(wu)差(cha)仍高于(yu)使(shi)用(yong)公式4時得(de)到的(de)(de)誤(wu)差(cha)。因(yin)此，碘(dian)值和亞甲基藍值對于(yu)估計活性炭的(de)(de)表面積(ji)很(hen)重要，因(yin)為(wei)這些材料有不(bu)同的(de)(de)孔徑(jing)，可以根據孔隙幾何結(jie)構由不(bu)同的(de)(de)分子(zi)獲得(de)。

　　微孔體積建模

　　微孔體(ti)積也用(yong)二次(ci)模(mo)型(xing)(xing)描(miao)述為(wei)亞(ya)甲(jia)(jia)藍和碘值的函數(shu)。該模(mo)型(xing)(xing)是(shi)在共50個(ge)樣本(ben)的幫助下建立起(qi)來(lai)的，其中(zhong)包括KS校(xiao)準選擇了14個(ge)樣本(ben)。校(xiao)準范圍為(wei)0.05至0.99cm 3 g -1.亞(ya)甲(jia)(jia)藍號(hao)-1和碘號(hao)從2到(dao)(dao)427毫克從195到(dao)(dao)1670毫克-1變化。建模(mo)導致表(biao)面擬(ni)合(he)(圖3)，由公式5描(miao)述:

　　該方程適用于微孔體積預測(ce)，評(ping)估包含文(wen)獻(xian)中的(de)數據(ju)和我們獲得的(de)數據(ju)的(de)測(ce)試(shi)樣本(ben)。共測(ce)試(shi)了36個樣本(ben)。圖形比較（圖4）表明該模型具有良(liang)好(hao)的(de)預測(ce)能力。測(ce)試(shi)樣品組(zu)的(de)平均(jun)絕對(dui)誤差為0.05cm 3 g -1.平均(jun)相對(dui)誤差為16.4%。表2給(gei)出(chu)了模型的(de)統計(ji)參(can)數。

　　由(you)(you)于微(wei)孔的(de)尺寸優先考慮(lv)碘(dian)(dian)分(fen)子，碘(dian)(dian)值也直(zhi)接(jie)通(tong)過*小(xiao)二乘(cheng)回歸與微(wei)孔體積相關(guan)。然而，誤差高(gao)于考慮(lv)亞(ya)甲藍(lan)和碘(dian)(dian)值時的(de)誤差。這表明亞(ya)甲藍(lan)對微(wei)孔體積預(yu)測有(you)一定(ding)的(de)貢獻，可能是由(you)(you)于大(da)微(wei)孔的(de)吸附(fu)。

　　總孔體積建模

　　亞甲藍與(yu)碘值(zhi)與(yu)總(zong)孔容(rong)之(zhi)間(jian)的關系是通過(guo)線性模型建(jian)立的。Kennard-Stone從39中選(xuan)擇(ze)的10個樣本對表面進(jin)行建(jian)模(圖5)。

　　校準范圍被認為是0.09到(dao)1.11 cm 3 g -1.碘(dian)號從195到(dao)1294毫(hao)克-1和2到(dao)427毫(hao)克變化的亞甲基(ji)藍數字-1。公(gong)式(shi)6描(miao)述了該模型：

　　將(jiang)29個樣品的測試組應(ying)用于測試總孔(kong)體積預(yu)測的方程。預(yu)測值與參(can)考值的一致性良好。.04cm 3 g -平(ping)均絕對誤(wu)差和(he)13.4%的平(ping)均相對誤(wu)差。表3給出(chu)了(le)模(mo)型的統計(ji)參(can)數。

　　在本文中，我們展示了如何利(li)用(yong)碘值和(he)亞(ya)(ya)甲藍(lan)數(shu)來(lai)估計活性(xing)炭(tan)樣品(pin)的(de)(de)表(biao)面積(ji)、微(wei)孔體積(ji)和(he)總孔體積(ji)。用(yong)于測定碘和(he)亞(ya)(ya)甲藍(lan)數(shu)量的(de)(de)程序相(xiang)對便宜和(he)簡單，并且不(bu)需(xu)要使用(yong)復雜(za)的(de)(de)設備(bei)。此外，開(kai)發的(de)(de)方(fang)法(fa)允許從亞(ya)(ya)甲基藍(lan)和(he)碘吸附(fu)研究(jiu)中提(ti)取比通常(chang)使用(yong)這種材料(liao)更多的(de)(de)信(xin)息。雖(sui)然(ran)這種方(fang)法(fa)不(bu)能取代(dai)活性(xing)炭(tan)的(de)(de)適(shi)當紋理特性(xing)，但對于沒(mei)有氣體吸附(fu)實(shi)驗設備(bei)的(de)(de)實(shi)驗室來(lai)說，非(fei)常(chang)有價(jia)值的(de)(de)。