估(gu)算(suan)活性炭表面積(ji)和孔體(ti)積(ji)

　　活(huo)性炭(tan)(tan)是各種工藝(yi)中(zhong)非常重要的多(duo)孔材(cai)料。活(huo)性炭(tan)(tan)的主要用(yong)途是吸(xi)附氣相或液相中(zhong)的污染物(wu)，儲存(cun)氣體(ti) 并用(yong)作催化劑(ji)載體(ti)。活(huo)性炭(tan)(tan)等(deng)多(duo)孔材(cai)料通常有(you)幾個物(wu)理參(can)數(shu)，如表面積和(he)孔隙體(ti)積。在(zai)這些材(cai)料的開發中(zhong)，滿足這些物(wu)理性能(neng)(neng)是非常重要的，因為它們(men)將直接(jie)影響材(cai)料在(zai)其應用(yong)中(zhong)的性能(neng)(neng)。

　　通常使用活性炭的(de)(de)(de)表面(mian)積(ji)BET液氮(dan)溫度(du)(77)K)氮(dan)氣在不同壓力下吸(xi)附。然(ran)后根(gen)據(ju)BET表面(mian)積(ji)由氮(dan)分子(zi)的(de)(de)(de)橫截面(mian)積(ji)、阿伏加德羅數和(he)氮(dan)的(de)(de)(de)特(te)定(ding)單層(ceng)容(rong)量的(de)(de)(de)乘積(ji)決(jue)定(ding)，由氮(dan)分子(zi)的(de)(de)(de)橫截面(mian)積(ji)決(jue)定(ding)BET進一(yi)步(bu)修(xiu)改(gai)提出的(de)(de)(de)等(deng)(deng)式。氮(dan)吸(xi)附等(deng)(deng)溫線數據(ju)也(ye)用(yong)于測量孔體(ti)積(ji)。總(zong)孔體(ti)積(ji)根(gen)據(ju)*高相對壓力下吸(xi)附的(de)(de)(de)氮(dan)量進行估計，并(bing)使用(yong)Dubinin-Radushkevich微孔體(ti)積(ji)從氮(dan)吸(xi)附等(deng)(deng)溫線計算。雖然(ran)這些(xie)方法在多孔材料的(de)(de)(de)表面(mian)積(ji)和(he)孔體(ti)積(ji)測定(ding)中被更多地(di)用(yong)作參考，但這些(xie)方法耗時且昂貴。

　　通(tong)過亞甲(jia)基藍、碘等(deng)不同(tong)吸(xi)附(fu)物(wu)的(de)吸(xi)附(fu)特(te)性(xing)，可以獲得更多關于(yu)活(huo)性(xing)炭(tan)結(jie)構的(de)信息(xi)。這(zhe)(zhe)些(xie)分(fen)子的(de)吸(xi)附(fu)料(liao)吸(xi)附(fu)能(neng)力的(de)信息(xi)，這(zhe)(zhe)些(xie)分(fen)子的(de)吸(xi)附(fu)實驗很容易和習(xi)慣(guan)性(xing)地(di)表示活(huo)性(xing)炭(tan)。根據(ju)亞甲(jia)基藍分(fen)子的(de)大(da)小(xiao)，它主要吸(xi)附(fu)在(zai)(zai)中(zhong)孔中(zhong)，但在(zai)(zai)較大(da)的(de)微孔中(zhong)也發(fa)現了一小(xiao)部分(fen)。至于(yu)亞甲(jia)藍，碘分(fen)子尺寸較差，可以滲透到微孔中(zhong)。這(zhe)(zhe)些(xie)特(te)征賦予了這(zhe)(zhe)些(xie)分(fen)子在(zai)(zai)活(huo)性(xing)炭(tan)物(wu)理(li)結(jie)構研(yan)究中(zhong)探針的(de)潛力。盡管(guan)如此(ci)，亞甲(jia)基藍與碘值的(de)定(ding)量關系和活(huo)性(xing)炭(tan)的(de)結(jie)構特(te)性(xing)還沒有詳細研(yan)究。

　　本文(wen)的目的是證(zheng)明活性炭(tan)的表面積，微孔體積和總(zong)孔體積可(ke)以通(tong)過碘和亞甲(jia)基藍的數值進行多元化回歸來估算。該方法是考慮從(cong)不同的前系統中提(ti)(ti)取的活性炭(tan)樣品(pin)和從(cong)文(wen)獻中提(ti)(ti)取的數據(ju)。

　　測試實驗開始：

　　活性炭樣品

　　方法開發(fa)了多(duo)種(zhong)活性炭樣品的(de)表面積(ji)、微孔體(ti)積(ji)、總孔體(ti)積(ji)、碘值和亞甲藍數(shu)量。

　　亞(ya)甲基藍(MBN)

　　亞(ya)甲(jia)(jia)藍(lan)數定義為1.0g吸附(fu)劑(ji)上吸附(fu)的染(ran)料*多。10..0毫(hao)克(ke)活性(xing)炭被置于與10.處理24小時不同濃度(10、25、50、100、250、500、1000毫(hao)克(ke)L亞(ya)甲(jia)(jia)藍(lan)溶(rong)液(ye)-1)，室(shi)溫下(約25℃)。使用UV / Vis分光光度計(Biosystems SP-2000)在(zai)645nm分析亞(ya)甲(jia)(jia)基藍(lan)的剩(sheng)余濃度。

　　亞甲基(ji)藍液(ye)吸附的(de)亞甲基(ji)藍量由式1計算：

　　其中C 0 (mg L -1)是(shi)開始時間(t = 0)亞(ya)甲基藍(lan)溶液(ye)的濃度，C e(mg L -1)平衡亞(ya)甲藍(lan)溶液(ye)的濃度，V(L)處理溶液(ye)體積(ji)，M(g)是(shi)吸附(fu)劑的質(zhi)量。

　　為了確定Langmuir模型(xing)的(de)亞甲(jia)基(ji)藍數，使用C e的(de)函(han)數作(zuo)出q eq曲線。Langmuir參數(q max 和K L)通過*小二(er)乘擬(ni)合(he)回(hui)歸找到。

　　碘值(IN)

　　碘值(zhi)(zhi)根據(ju)ASTM D4607-94方(fang)法(fa)測定。碘值(zhi)(zhi)定義為0.02N(0.02mol L -1)時，被1.0g碘的(de)(de)(de)毫克數被碳吸附(fu)。該方(fang)法(fa)基(ji)于(yu)三點(dian)等(deng)(deng)溫線。標準碘溶液(ye)在(zai)特(te)定條件下用(yong)三種不(bu)同重(zhong)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)活(huo)性(xing)炭處(chu)理。實驗包括用(yong)10.0mL的(de)(de)(de)5%HCl處(chu)理活(huo)性(xing)炭樣(yang)品。將(jiang)混合(he)物煮30秒，然(ran)后冷卻。不(bu)久之后，將(jiang)是100.0mL的(de)(de)(de)0.1N(0.1mol L -1)將(jiang)碘溶液(ye)加入混合(he)物中，攪拌(ban)30秒。過(guo)濾所得溶液(ye)50.0毫升濾液(ye)滴定用(yong)0.1N(0.硫代硫酸鈉，1摩(mo)爾(er)大號-1)，以淀粉為指示劑。每(mei)克碳吸附(fu)的(de)(de)(de)碘量(liang)(liang)(X / M)相對濾液(ye)(C)用(yong)對數軸(zhou)繪制(zhi)中碘濃度。若殘(can)留(liu)碘濃度(C)不(bu)在(zai)0.008-0.04 N(0.008-0.04 mol L -在(zai)1)范圍內(nei)，每(mei)個等(deng)(deng)溫點(dian)應使用(yong)不(bu)同的(de)(de)(de)碳質重(zhong)復整個過(guo)程。*小二(er)乘擬(ni)合(he)回歸這三點(dian)應用(yong)。碘值(zhi)(zhi)為殘(can)留(liu)濃度(C)為0.02N(0.02mol L -1)時的(de)(de)(de) X / M值(zhi)(zhi)。所述X / M和(he)(he)C ^ 等(deng)(deng)式2和(he)(he)3分別(bie)計(ji)算(suan)值(zhi)(zhi)。

　　其中N I 是(shi)碘溶(rong)液(ye)的(de)(de)當(dang)量(liang)濃度(du)，V I碘溶(rong)液(ye)的(de)(de)添加量(liang)，V HCl是(shi)5%HCl加入體積，V F 是(shi)滴(di)定(ding)中使(shi)用的(de)(de)濾液(ye)體積，N Na 2 S 2O 3 鈉硫(liu)(liu)代硫(liu)(liu)酸鈉溶(rong)液(ye)正常(chang)，V Na 2 S 2 O 3 是(shi)硫(liu)(liu)代硫(liu)(liu)酸鈉溶(rong)液(ye)的(de)(de)消耗量(liang)，M C 是(shi)活性炭的(de)(de)質量(liang)。

　　比表面積

　　在77K氮吸(xi)附(fu)試驗用儀器(qi)確定(ding)試樣(yang)的比表(biao)面(mian)積。吸(xi)附(fu)測量(liang)前(qian)，樣(yang)品為180℃過夜放氣BET模(mo)型擬(ni)合氮吸(xi)附(fu)等溫線，評(ping)估樣(yang)品的比表(biao)面(mian)積。

　　孔體積

　　氮(dan)吸(xi)附(fu)等(deng)溫(wen)線數(shu)據被用于估計測試樣(yang)品的孔體(ti)積。總孔體(ti)積由相(xiang)對壓(ya)力(li)為(wei)0.估計98氮(dan)吸(xi)附(fu)量。Dubinin-Radushkevich微孔體(ti)積從氮(dan)吸(xi)附(fu)等(deng)溫(wen)線計算(suan)。

　　多元回歸

　　KS該算法用于(yu)分離(li)(li)校(xiao)準(zhun)組(zu)(zu)和測試組(zu)(zu)中的(de)(de)(de)樣(yang)(yang)品。根據歐幾(ji)(ji)里德幾(ji)(ji)里德距(ju)離(li)(li)選(xuan)擇樣(yang)(yang)本。前(qian)(qian)兩(liang)個樣(yang)(yang)本相距(ju)*遠。以(yi)下(xia)樣(yang)(yang)本是(shi)通過與之前(qian)(qian)選(xuan)擇的(de)(de)(de)樣(yang)(yang)本的(de)(de)(de)距(ju)離(li)(li)來(lai)選(xuan)擇的(de)(de)(de)。校(xiao)準(zhun)組(zu)(zu)中不同樣(yang)(yang)品量的(de)(de)(de)校(xiao)準(zhun)。選(xuan)擇校(xiao)準(zhun)中使用的(de)(de)(de)樣(yang)(yang)本數量來(lai)生(sheng)成顯示測試組(zu)(zu)樣(yang)(yang)本的(de)(de)(de)*小誤差模型。校(xiao)準(zhun)模型采用*小二乘擬合，表面積由亞甲基(ji)藍和碘值確定，總(zong)孔體(ti)積和微孔體(ti)積估計。Matlab用于(yu)計算程序的(de)(de)(de)軟件。

　　結果分析：

　　*初建立表(biao)面圖，檢(jian)查活性炭(tan)樣品的(de)表(biao)面積(ji)、總孔(kong)體積(ji)和(he)微孔(kong)體積(ji)與亞甲(jia)藍和(he)碘(dian)值(zhi)之間的(de)關系(xi)。使用實驗(yan)部分引(yin)用的(de)樣品的(de)數據構(gou)建圖(圖1S，補充材料)。

　　在所有(you)(you)情(qing)況下，亞(ya)甲基藍和(he)碘的(de)數量隨著表面(mian)(mian)積(ji)和(he)孔(kong)體積(ji)的(de)比(bi)例而增加(jia)，這(zhe)(zhe)表明它(ta)們是測量這(zhe)(zhe)些性質的(de)有(you)(you)趣探針。事實上，亞(ya)甲基藍分子的(de)面(mian)(mian)積(ji)為(wei)15.08納米2，只(zhi)能進入(ru)大微孔(kong)和(he)中孔(kong)。5碘分子面(mian)(mian)積(ji)小(xiao)15 為(wei)0.4nm 并(bing)且可以進入(ru)較小(xiao)的(de)微孔(kong)。

　　表面積建模

　　使用二次模型來描述(shu)與(yu)表(biao)面(mian)積相(xiang)比的亞(ya)甲基藍和碘(dian)的數量。對于模型開(kai)發，Kennard-Stone從(cong)105個(ge)樣(yang)(yang)本中選擇27個(ge)樣(yang)(yang)本進行校準(zhun)。樣(yang)(yang)品表(biao)面(mian)積從(cong)199到(dao)(dao)2105 m 2 g -1不等。亞(ya)甲基藍的數量在0到(dao)(dao)501毫克(ke)之間，碘(dian)值從(cong)155到(dao)(dao)1670毫克(ke)之間。建模后獲得的表(biao)面(mian)擬合(he)(圖(tu)1)由(you)公式4描述(shu)。

　　考慮到我們(men)獲得的(de)(de)文(wen)獻和數據中的(de)(de)數據，通過(guo)該方(fang)程的(de)(de)表面積預測(ce)測(ce)試了78個測(ce)試樣品。圖(tu)2顯示了等式4預測(ce)的(de)(de)值和實驗BET值之(zhi)間的(de)(de)比較(jiao)。

　　觀察(cha)(cha)值之間的良(liang)好(hao)(hao)相(xiang)關性表明該模型具有良(liang)好(hao)(hao)的預測(ce)能力。測(ce)試樣品中觀察(cha)(cha)到的平(ping)均絕對誤差為77.8米2 克(ke)-1的平(ping)均相(xiang)對誤差為11.8%。表1給(gei)出了模型的統計(ji)參數(shu)。

　　據(ju)報道，碘(dian)值可(ke)通(tong)過每次(ci)吸(xi)附1mg碘(dian)的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)積(ji)1m 為活性(xing)(xing)炭表(biao)(biao)面(mian)(mian)積(ji)提(ti)供(gong)關系。這(zhe)一考(kao)慮是在本(ben)工(gong)作中使(shi)用的(de)(de)數據(ju)完(wan)成(cheng)的(de)(de)，但誤(wu)差(cha)明顯高于(yu)(yu)使(shi)用等式4估計表(biao)(biao)面(mian)(mian)積(ji)時觀察到的(de)(de)誤(wu)差(cha)。*小二(er)乘法擬合只能(neng)考(kao)慮碘(dian)值，但誤(wu)差(cha)仍(reng)高于(yu)(yu)使(shi)用公式4時得到的(de)(de)誤(wu)差(cha)。因此，碘(dian)值和亞(ya)甲(jia)基藍值對(dui)于(yu)(yu)估計活性(xing)(xing)炭的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)積(ji)很重要(yao)，因為這(zhe)些材料(liao)有不(bu)(bu)同的(de)(de)孔徑，可(ke)以(yi)根據(ju)孔隙幾(ji)何結構由(you)不(bu)(bu)同的(de)(de)分子獲(huo)得。

　　微孔體積建模

　　微孔體(ti)積也用二次模型(xing)描述為(wei)亞甲藍和碘(dian)值的(de)函數。該模型(xing)是在共50個(ge)樣本的(de)幫助下建立起(qi)來的(de)，其中包括KS校(xiao)準選擇了(le)14個(ge)樣本。校(xiao)準范圍為(wei)0.05至0.99cm 3 g -1.亞甲藍號-1和碘(dian)號從2到427毫克(ke)從195到1670毫克(ke)-1變化。建模導致表面(mian)擬合(圖3)，由公式5描述:

　　該(gai)(gai)方程適用于微孔體(ti)積預(yu)測(ce)，評(ping)估包含文獻中的(de)(de)(de)數據(ju)和我(wo)們獲得(de)的(de)(de)(de)數據(ju)的(de)(de)(de)測(ce)試(shi)樣(yang)本(ben)。共測(ce)試(shi)了36個樣(yang)本(ben)。圖(tu)形比較（圖(tu)4）表(biao)明該(gai)(gai)模型(xing)具有(you)良(liang)好的(de)(de)(de)預(yu)測(ce)能力。測(ce)試(shi)樣(yang)品組的(de)(de)(de)平均絕(jue)對(dui)誤(wu)差為(wei)0.05cm 3 g -1.平均相對(dui)誤(wu)差為(wei)16.4%。表(biao)2給出了模型(xing)的(de)(de)(de)統計參(can)數。

　　由于微(wei)(wei)孔(kong)(kong)的(de)尺寸優先考慮碘分(fen)子，碘值也(ye)直(zhi)接通(tong)過*小二乘回歸(gui)與微(wei)(wei)孔(kong)(kong)體(ti)積(ji)相(xiang)關。然而，誤(wu)差高于考慮亞(ya)甲藍(lan)和碘值時的(de)誤(wu)差。這表明亞(ya)甲藍(lan)對微(wei)(wei)孔(kong)(kong)體(ti)積(ji)預測有一(yi)定的(de)貢(gong)獻，可能是由于大微(wei)(wei)孔(kong)(kong)的(de)吸(xi)附。

　　總孔體積建模

　　亞甲藍與碘值(zhi)與總孔(kong)容(rong)之間的(de)關(guan)系是通過線(xian)性模型建立的(de)。Kennard-Stone從39中(zhong)選擇(ze)的(de)10個樣(yang)本(ben)對表面(mian)進行建模(圖(tu)5)。

　　校(xiao)準(zhun)范(fan)圍被(bei)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毫克變化的亞甲基藍數字-1。公式6描述了該模型：

　　將29個樣品的(de)測(ce)(ce)試組應用于測(ce)(ce)試總孔體積(ji)預(yu)測(ce)(ce)的(de)方程。預(yu)測(ce)(ce)值與參考值的(de)一致性良好。.04cm 3 g -平均(jun)絕對(dui)(dui)誤(wu)差和13.4%的(de)平均(jun)相(xiang)對(dui)(dui)誤(wu)差。表3給出了(le)模型(xing)的(de)統(tong)計參數。

　　在(zai)本文中(zhong)，我們展示了如何利用(yong)碘值和(he)亞(ya)(ya)甲藍(lan)數(shu)(shu)來估計(ji)活性(xing)炭樣(yang)品的表面積、微孔體(ti)積和(he)總孔體(ti)積。用(yong)于(yu)測(ce)定碘和(he)亞(ya)(ya)甲藍(lan)數(shu)(shu)量的程序相對便宜和(he)簡(jian)單(dan)，并且不需要使用(yong)復雜的設備。此外，開發(fa)的方法(fa)允許從亞(ya)(ya)甲基(ji)藍(lan)和(he)碘吸附研究(jiu)中(zhong)提取比(bi)通常使用(yong)這(zhe)種(zhong)材料更多的信(xin)息。雖然這(zhe)種(zhong)方法(fa)不能取代活性(xing)炭的適當紋理特性(xing)，但對于(yu)沒(mei)有氣體(ti)吸附實驗設備的實驗室(shi)來說(shuo)，非常有價(jia)值的。