估算活性炭表面積(ji)和孔體積(ji)

　　活性(xing)炭(tan)是各種工藝(yi)中非常重(zhong)要的(de)多孔材料(liao)。活性(xing)炭(tan)的(de)主要用途是吸附氣(qi)(qi)相或(huo)液(ye)相中的(de)污染物(wu)，儲(chu)存氣(qi)(qi)體 并用作催化(hua)劑載體。活性(xing)炭(tan)等多孔材料(liao)通常有幾個(ge)物(wu)理參數(shu)，如表面積(ji)和孔隙體積(ji)。在這些材料(liao)的(de)開發(fa)中，滿足這些物(wu)理性(xing)能是非常重(zhong)要的(de)，因為它們將直接影響材料(liao)在其應(ying)用中的(de)性(xing)能。

　　通常使用活性炭的(de)表面積(ji)(ji)(ji)BET液氮(dan)(dan)(dan)溫(wen)度(du)(77)K)氮(dan)(dan)(dan)氣在不(bu)同壓力下吸(xi)(xi)附。然(ran)后根(gen)據(ju)(ju)BET表面積(ji)(ji)(ji)由(you)氮(dan)(dan)(dan)分子的(de)橫截面積(ji)(ji)(ji)、阿(a)伏(fu)加(jia)德羅數和氮(dan)(dan)(dan)的(de)特(te)定(ding)(ding)單層容(rong)量(liang)(liang)的(de)乘積(ji)(ji)(ji)決(jue)定(ding)(ding)，由(you)氮(dan)(dan)(dan)分子的(de)橫截面積(ji)(ji)(ji)決(jue)定(ding)(ding)BET進(jin)一步(bu)修改(gai)提出的(de)等式(shi)。氮(dan)(dan)(dan)吸(xi)(xi)附等溫(wen)線數據(ju)(ju)也用(yong)于測量(liang)(liang)孔(kong)體積(ji)(ji)(ji)。總孔(kong)體積(ji)(ji)(ji)根(gen)據(ju)(ju)*高相對壓力下吸(xi)(xi)附的(de)氮(dan)(dan)(dan)量(liang)(liang)進(jin)行估計，并使用(yong)Dubinin-Radushkevich微孔(kong)體積(ji)(ji)(ji)從氮(dan)(dan)(dan)吸(xi)(xi)附等溫(wen)線計算(suan)。雖然(ran)這些方(fang)法在多(duo)孔(kong)材(cai)料的(de)表面積(ji)(ji)(ji)和孔(kong)體積(ji)(ji)(ji)測定(ding)(ding)中被更多(duo)地用(yong)作參考(kao)，但(dan)這些方(fang)法耗(hao)時且(qie)昂(ang)貴。

　　通過亞(ya)甲(jia)基(ji)藍、碘(dian)(dian)等不同(tong)吸附(fu)(fu)物的(de)(de)(de)(de)吸附(fu)(fu)特性(xing)(xing)，可(ke)以獲(huo)得更(geng)多關于活(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)(de)信息。這些(xie)分子的(de)(de)(de)(de)吸附(fu)(fu)料吸附(fu)(fu)能(neng)力(li)(li)的(de)(de)(de)(de)信息，這些(xie)分子的(de)(de)(de)(de)吸附(fu)(fu)實驗很容易和(he)(he)習慣性(xing)(xing)地表示活(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)。根據亞(ya)甲(jia)基(ji)藍分子的(de)(de)(de)(de)大小，它主(zhu)要(yao)吸附(fu)(fu)在中(zhong)(zhong)孔(kong)中(zhong)(zhong)，但在較大的(de)(de)(de)(de)微孔(kong)中(zhong)(zhong)也發現了一(yi)小部分。至于亞(ya)甲(jia)藍，碘(dian)(dian)分子尺(chi)寸較差，可(ke)以滲透到微孔(kong)中(zhong)(zhong)。這些(xie)特征賦予了這些(xie)分子在活(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)物理結(jie)構(gou)研究中(zhong)(zhong)探針的(de)(de)(de)(de)潛力(li)(li)。盡(jin)管(guan)如此，亞(ya)甲(jia)基(ji)藍與碘(dian)(dian)值的(de)(de)(de)(de)定量關系和(he)(he)活(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)的(de)(de)(de)(de)結(jie)構(gou)特性(xing)(xing)還沒有詳(xiang)細(xi)研究。

　　本文(wen)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)是證明活性炭的(de)(de)(de)表面積，微孔(kong)體積和總孔(kong)體積可(ke)以通過(guo)碘和亞甲基藍的(de)(de)(de)數值進(jin)行多(duo)元化回歸來估算。該方法是考慮從不同的(de)(de)(de)前(qian)系(xi)統中提取的(de)(de)(de)活性炭樣品和從文(wen)獻中提取的(de)(de)(de)數據。

　　測試實驗開始：

　　活性炭樣品

　　方法開(kai)發了(le)多種活性炭樣品(pin)的表面積(ji)、微孔(kong)體積(ji)、總孔(kong)體積(ji)、碘值和(he)亞甲藍(lan)數(shu)量(liang)。

　　亞甲基藍(MBN)

　　亞(ya)甲(jia)藍數(shu)定義(yi)為1.0g吸附劑上吸附的(de)(de)染(ran)料(liao)*多。10..0毫克活性炭(tan)被置于與10.處理24小時(shi)不同濃度(10、25、50、100、250、500、1000毫克L亞(ya)甲(jia)藍溶液-1)，室(shi)溫下(約25℃)。使用(yong)UV / Vis分光光度計(Biosystems SP-2000)在(zai)645nm分析(xi)亞(ya)甲(jia)基藍的(de)(de)剩余(yu)濃度。

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

　　其中(zhong)C 0 (mg L -1)是(shi)開(kai)始時間(jian)(t = 0)亞甲(jia)基藍溶液的(de)濃度，C e(mg L -1)平衡亞甲(jia)藍溶液的(de)濃度，V(L)處理溶液體(ti)積(ji)，M(g)是(shi)吸附劑(ji)的(de)質(zhi)量。

　　為了確(que)定(ding)Langmuir模型的亞甲基藍(lan)數(shu)，使用C e的函數(shu)作出q eq曲線。Langmuir參(can)數(shu)(q max 和(he)K L)通過(guo)*小二乘擬合回歸(gui)找到。

　　碘值(IN)

　　碘(dian)(dian)(dian)值(zhi)(zhi)根(gen)據ASTM D4607-94方法(fa)測定。碘(dian)(dian)(dian)值(zhi)(zhi)定義為0.02N(0.02mol L -1)時，被(bei)1.0g碘(dian)(dian)(dian)的(de)(de)(de)毫(hao)克數(shu)被(bei)碳(tan)吸附。該方法(fa)基于三(san)點等溫(wen)線。標準碘(dian)(dian)(dian)溶(rong)液(ye)在(zai)特定條件下用(yong)(yong)(yong)三(san)種不(bu)(bu)同(tong)重量(liang)的(de)(de)(de)活性(xing)炭處(chu)理。實驗包括(kuo)用(yong)(yong)(yong)10.0mL的(de)(de)(de)5%HCl處(chu)理活性(xing)炭樣(yang)品。將(jiang)混合(he)物煮30秒，然后(hou)冷卻。不(bu)(bu)久之后(hou)，將(jiang)是100.0mL的(de)(de)(de)0.1N(0.1mol L -1)將(jiang)碘(dian)(dian)(dian)溶(rong)液(ye)加入(ru)混合(he)物中，攪拌30秒。過濾(lv)所得溶(rong)液(ye)50.0毫(hao)升濾(lv)液(ye)滴定用(yong)(yong)(yong)0.1N(0.硫(liu)代硫(liu)酸(suan)鈉，1摩(mo)爾(er)大(da)號-1)，以淀粉為指示(shi)劑。每克碳(tan)吸附的(de)(de)(de)碘(dian)(dian)(dian)量(liang)(X / M)相對濾(lv)液(ye)(C)用(yong)(yong)(yong)對數(shu)軸繪制中碘(dian)(dian)(dian)濃(nong)度。若殘留碘(dian)(dian)(dian)濃(nong)度(C)不(bu)(bu)在(zai)0.008-0.04 N(0.008-0.04 mol L -在(zai)1)范圍內，每個(ge)(ge)等溫(wen)點應(ying)使用(yong)(yong)(yong)不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)(de)碳(tan)質重復(fu)整個(ge)(ge)過程。*小二乘擬合(he)回歸這三(san)點應(ying)用(yong)(yong)(yong)。碘(dian)(dian)(dian)值(zhi)(zhi)為殘留濃(nong)度(C)為0.02N(0.02mol L -1)時的(de)(de)(de) X / M值(zhi)(zhi)。所述X / M和C ^ 等式2和3分別計(ji)算值(zhi)(zhi)。

　　其中N I 是(shi)碘(dian)溶(rong)液(ye)的(de)(de)當量(liang)濃(nong)度(du)，V I碘(dian)溶(rong)液(ye)的(de)(de)添(tian)加量(liang)，V HCl是(shi)5%HCl加入體(ti)(ti)積(ji)，V F 是(shi)滴定中使用(yong)的(de)(de)濾液(ye)體(ti)(ti)積(ji)，N Na 2 S 2O 3 鈉硫(liu)代(dai)硫(liu)酸鈉溶(rong)液(ye)正常，V Na 2 S 2 O 3 是(shi)硫(liu)代(dai)硫(liu)酸鈉溶(rong)液(ye)的(de)(de)消(xiao)耗量(liang)，M C 是(shi)活(huo)性炭的(de)(de)質(zhi)量(liang)。

　　比表面積

　　在(zai)77K氮吸(xi)(xi)附(fu)(fu)試驗用(yong)儀器確定試樣的比表面積。吸(xi)(xi)附(fu)(fu)測量前，樣品為180℃過夜(ye)放氣BET模型擬合氮吸(xi)(xi)附(fu)(fu)等溫(wen)線(xian)，評(ping)估樣品的比表面積。

　　孔體積

　　氮(dan)(dan)吸附(fu)(fu)等溫線數據被用于(yu)估(gu)計(ji)測試樣品的孔(kong)體(ti)(ti)積。總孔(kong)體(ti)(ti)積由相(xiang)對(dui)壓力為0.估(gu)計(ji)98氮(dan)(dan)吸附(fu)(fu)量。Dubinin-Radushkevich微(wei)孔(kong)體(ti)(ti)積從氮(dan)(dan)吸附(fu)(fu)等溫線計(ji)算(suan)。

　　多元回歸

　　KS該算(suan)(suan)法用于分離(li)校準(zhun)組和測試組中(zhong)的(de)(de)樣(yang)品。根(gen)據(ju)歐幾里德(de)幾里德(de)距離(li)選擇(ze)樣(yang)本(ben)(ben)。前兩(liang)個樣(yang)本(ben)(ben)相距*遠。以下樣(yang)本(ben)(ben)是(shi)通過與之(zhi)前選擇(ze)的(de)(de)樣(yang)本(ben)(ben)的(de)(de)距離(li)來選擇(ze)的(de)(de)。校準(zhun)組中(zhong)不同樣(yang)品量的(de)(de)校準(zhun)。選擇(ze)校準(zhun)中(zhong)使用的(de)(de)樣(yang)本(ben)(ben)數量來生成顯示測試組樣(yang)本(ben)(ben)的(de)(de)*小誤(wu)差模(mo)型(xing)。校準(zhun)模(mo)型(xing)采用*小二乘擬合，表面積(ji)由亞(ya)甲(jia)基藍和碘值確定，總孔體(ti)積(ji)和微孔體(ti)積(ji)估計。Matlab用于計算(suan)(suan)程序(xu)的(de)(de)軟件。

　　結果分析：

　　*初(chu)建立表(biao)面圖(tu)，檢查活(huo)性炭樣品(pin)的(de)表(biao)面積、總(zong)孔體積和微孔體積與亞甲藍和碘值之間的(de)關(guan)系。使(shi)用實驗部分引用的(de)樣品(pin)的(de)數據(ju)構建圖(tu)(圖(tu)1S，補充(chong)材料)。

　　在所有情況下，亞甲(jia)基藍(lan)和(he)(he)碘(dian)的數量隨著表面(mian)積和(he)(he)孔體積的比例而增加，這表明它(ta)們是測量這些性質(zhi)的有趣(qu)探針。事實(shi)上，亞甲(jia)基藍(lan)分子的面(mian)積為(wei)15.08納米2，只能進入(ru)大微(wei)孔和(he)(he)中孔。5碘(dian)分子面(mian)積小15 為(wei)0.4nm 并且可以進入(ru)較(jiao)小的微(wei)孔。

　　表面積建模

　　使用二次模(mo)型來描述(shu)與表面(mian)積相比的(de)亞甲基藍(lan)和碘的(de)數量。對(dui)于模(mo)型開發(fa)，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2105 m 2 g -1不等。亞甲基藍(lan)的(de)數量在0到501毫克(ke)之間，碘值從155到1670毫克(ke)之間。建模(mo)后獲得的(de)表面(mian)擬合(he)(圖(tu)1)由公式4描述(shu)。

　　考慮到我們(men)獲得的(de)(de)文獻和(he)數據中(zhong)的(de)(de)數據，通(tong)過(guo)該方(fang)程的(de)(de)表(biao)面(mian)積預測測試了78個測試樣品(pin)。圖2顯示(shi)了等(deng)式4預測的(de)(de)值和(he)實驗BET值之間的(de)(de)比較。

　　觀察值之間的(de)良好(hao)相關性表明該(gai)模型具有良好(hao)的(de)預測(ce)能力(li)。測(ce)試樣品中觀察到的(de)平(ping)均(jun)絕對(dui)誤差(cha)為77.8米2 克-1的(de)平(ping)均(jun)相對(dui)誤差(cha)為11.8%。表1給(gei)出了模型的(de)統計(ji)參數。

　　據報道，碘(dian)值可通過每(mei)次吸附1mg碘(dian)的(de)表(biao)面積(ji)1m 為(wei)活性(xing)炭表(biao)面積(ji)提供關(guan)系。這一考慮是在(zai)本工作(zuo)中使用(yong)(yong)的(de)數據完成的(de)，但誤(wu)(wu)差(cha)明顯高于(yu)(yu)使用(yong)(yong)等(deng)式(shi)4估計表(biao)面積(ji)時觀察到的(de)誤(wu)(wu)差(cha)。*小二乘法擬合只(zhi)能(neng)考慮碘(dian)值，但誤(wu)(wu)差(cha)仍高于(yu)(yu)使用(yong)(yong)公式(shi)4時得(de)到的(de)誤(wu)(wu)差(cha)。因(yin)此(ci)，碘(dian)值和(he)亞甲基藍(lan)值對于(yu)(yu)估計活性(xing)炭的(de)表(biao)面積(ji)很重要，因(yin)為(wei)這些材料(liao)有不(bu)同的(de)孔(kong)徑，可以根據孔(kong)隙幾何結(jie)構由不(bu)同的(de)分子(zi)獲得(de)。

　　微孔體積建模

　　微孔體積(ji)也用二次模型(xing)描述為(wei)亞甲藍和碘值的函數。該模型(xing)是在共(gong)50個樣(yang)本(ben)的幫(bang)助下建(jian)立起來的，其中包括(kuo)KS校(xiao)準選(xuan)擇了14個樣(yang)本(ben)。校(xiao)準范(fan)圍為(wei)0.05至(zhi)0.99cm 3 g -1.亞甲藍號-1和碘號從(cong)2到427毫(hao)克從(cong)195到1670毫(hao)克-1變(bian)化。建(jian)模導致表面擬合(圖3)，由公式5描述:

　　該方(fang)程適用(yong)于微孔體積預測，評(ping)估包含(han)文獻中的(de)(de)(de)數(shu)(shu)據和我(wo)們獲得的(de)(de)(de)數(shu)(shu)據的(de)(de)(de)測試樣(yang)本。共測試了36個樣(yang)本。圖形比較(jiao)（圖4）表(biao)明該模型具有良好的(de)(de)(de)預測能力。測試樣(yang)品組的(de)(de)(de)平均(jun)絕對誤(wu)差為0.05cm 3 g -1.平均(jun)相對誤(wu)差為16.4%。表(biao)2給出(chu)了模型的(de)(de)(de)統計參數(shu)(shu)。

　　由于(yu)(yu)微(wei)孔的尺(chi)寸優(you)先(xian)考慮(lv)碘分(fen)子，碘值(zhi)也(ye)直接通過*小二乘回歸(gui)與微(wei)孔體積相關。然而(er)，誤差高于(yu)(yu)考慮(lv)亞(ya)甲藍(lan)和碘值(zhi)時的誤差。這(zhe)表明亞(ya)甲藍(lan)對(dui)微(wei)孔體積預測有一定的貢獻，可能是由于(yu)(yu)大微(wei)孔的吸附。

　　總孔體積建模

　　亞甲藍(lan)與碘值與總孔容之間的(de)關(guan)系是通過線性模(mo)型(xing)建(jian)立(li)的(de)。Kennard-Stone從39中(zhong)選擇的(de)10個樣(yang)本對表面進(jin)行建(jian)模(mo)(圖5)。

　　校(xiao)準(zhun)范圍被(bei)認為(wei)是0.09到1.11 cm 3 g -1.碘號(hao)從195到1294毫(hao)克-1和2到427毫(hao)克變化的(de)亞甲基藍數(shu)字-1。公式6描述了該模型：

　　將29個樣品的測(ce)試(shi)(shi)組應用于(yu)測(ce)試(shi)(shi)總孔(kong)體(ti)積預測(ce)的方程。預測(ce)值與參(can)考(kao)值的一(yi)致性(xing)良好。.04cm 3 g -平均絕(jue)對誤差和13.4%的平均相對誤差。表(biao)3給出了模型的統計參(can)數。

　　在本(ben)文(wen)中，我們(men)展示(shi)了如何(he)利用(yong)(yong)碘(dian)(dian)值(zhi)和(he)(he)亞(ya)甲藍數(shu)來估計活性炭樣品的表面(mian)積、微孔體積和(he)(he)總孔體積。用(yong)(yong)于(yu)(yu)測定碘(dian)(dian)和(he)(he)亞(ya)甲藍數(shu)量的程序相對(dui)便宜和(he)(he)簡單，并且不(bu)需(xu)要使用(yong)(yong)復雜的設備。此外，開發的方法允許(xu)從(cong)亞(ya)甲基(ji)藍和(he)(he)碘(dian)(dian)吸附研究(jiu)中提取比通(tong)常使用(yong)(yong)這種材(cai)料更多(duo)的信息。雖然(ran)這種方法不(bu)能取代(dai)活性炭的適當紋理特性，但對(dui)于(yu)(yu)沒有(you)氣(qi)體吸附實驗設備的實驗室來說，非常有(you)價值(zhi)的。