估算活性炭表面積和(he)孔體積

　　活(huo)性(xing)炭(tan)是(shi)各種工藝中非常重(zhong)要的(de)多(duo)(duo)孔材料(liao)。活(huo)性(xing)炭(tan)的(de)主要用途是(shi)吸附氣相(xiang)或液相(xiang)中的(de)污染物(wu)(wu)，儲(chu)存(cun)氣體(ti) 并用作(zuo)催化劑載體(ti)。活(huo)性(xing)炭(tan)等多(duo)(duo)孔材料(liao)通常有幾個(ge)物(wu)(wu)理(li)參數(shu)，如表面積和孔隙體(ti)積。在這些材料(liao)的(de)開發(fa)中，滿(man)足(zu)這些物(wu)(wu)理(li)性(xing)能是(shi)非常重(zhong)要的(de)，因為它們(men)將直接(jie)影響材料(liao)在其應用中的(de)性(xing)能。

　　通常使用活性炭的(de)(de)(de)表面(mian)積(ji)BET液(ye)氮(dan)(dan)(dan)(dan)溫度(77)K)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣在(zai)不同壓力(li)下吸(xi)附(fu)。然后根據(ju)BET表面(mian)積(ji)由氮(dan)(dan)(dan)(dan)分子的(de)(de)(de)橫截面(mian)積(ji)、阿伏加(jia)德羅數和(he)氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)特定(ding)單層容(rong)量(liang)的(de)(de)(de)乘積(ji)決定(ding)，由氮(dan)(dan)(dan)(dan)分子的(de)(de)(de)橫截面(mian)積(ji)決定(ding)BET進(jin)一(yi)步修改提(ti)出(chu)的(de)(de)(de)等(deng)式。氮(dan)(dan)(dan)(dan)吸(xi)附(fu)等(deng)溫線(xian)(xian)數據(ju)也(ye)用于(yu)測量(liang)孔(kong)體積(ji)。總孔(kong)體積(ji)根據(ju)*高(gao)相對壓力(li)下吸(xi)附(fu)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)量(liang)進(jin)行估計，并使用Dubinin-Radushkevich微孔(kong)體積(ji)從(cong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)吸(xi)附(fu)等(deng)溫線(xian)(xian)計算。雖然這些(xie)方(fang)法在(zai)多(duo)孔(kong)材料的(de)(de)(de)表面(mian)積(ji)和(he)孔(kong)體積(ji)測定(ding)中被更(geng)多(duo)地用作參考(kao)，但這些(xie)方(fang)法耗時且(qie)昂貴(gui)。

　　通過亞(ya)甲基(ji)藍(lan)(lan)、碘(dian)等(deng)不同吸(xi)(xi)附(fu)物(wu)的(de)(de)吸(xi)(xi)附(fu)特(te)性(xing)，可(ke)以獲得更(geng)多關(guan)于活(huo)性(xing)炭結(jie)構的(de)(de)信(xin)(xin)息(xi)。這(zhe)些(xie)分(fen)(fen)子(zi)的(de)(de)吸(xi)(xi)附(fu)料吸(xi)(xi)附(fu)能力的(de)(de)信(xin)(xin)息(xi)，這(zhe)些(xie)分(fen)(fen)子(zi)的(de)(de)吸(xi)(xi)附(fu)實驗很容易和習(xi)慣性(xing)地表(biao)示活(huo)性(xing)炭。根據(ju)亞(ya)甲基(ji)藍(lan)(lan)分(fen)(fen)子(zi)的(de)(de)大小(xiao)，它主要(yao)吸(xi)(xi)附(fu)在中(zhong)(zhong)(zhong)孔(kong)中(zhong)(zhong)(zhong)，但在較(jiao)大的(de)(de)微孔(kong)中(zhong)(zhong)(zhong)也發現了一小(xiao)部分(fen)(fen)。至于亞(ya)甲藍(lan)(lan)，碘(dian)分(fen)(fen)子(zi)尺寸較(jiao)差，可(ke)以滲(shen)透(tou)到微孔(kong)中(zhong)(zhong)(zhong)。這(zhe)些(xie)特(te)征賦予了這(zhe)些(xie)分(fen)(fen)子(zi)在活(huo)性(xing)炭物(wu)理結(jie)構研(yan)究中(zhong)(zhong)(zhong)探針的(de)(de)潛力。盡管如此，亞(ya)甲基(ji)藍(lan)(lan)與碘(dian)值的(de)(de)定量關(guan)系和活(huo)性(xing)炭的(de)(de)結(jie)構特(te)性(xing)還(huan)沒有詳細(xi)研(yan)究。

　　本文(wen)的目的是證(zheng)明活性炭(tan)的表面積(ji)，微孔(kong)體(ti)積(ji)和(he)總孔(kong)體(ti)積(ji)可以通過(guo)碘和(he)亞(ya)甲基藍的數(shu)值進行多元化回歸來估算。該方法是考慮從不(bu)同的前系統(tong)中提(ti)取(qu)的活性炭(tan)樣品和(he)從文(wen)獻中提(ti)取(qu)的數(shu)據(ju)。

　　測試實驗開始：

　　活性炭樣品

　　方法開發了多種活性(xing)炭(tan)樣品的表面積、微孔(kong)體(ti)積、總孔(kong)體(ti)積、碘值和亞(ya)甲(jia)藍數量。

　　亞甲(jia)基(ji)藍(lan)(MBN)

　　亞(ya)(ya)甲藍(lan)數定義(yi)為1.0g吸(xi)附劑上吸(xi)附的染(ran)料(liao)*多。10..0毫克(ke)活性炭(tan)被置(zhi)于與10.處(chu)理24小時不同濃度(10、25、50、100、250、500、1000毫克(ke)L亞(ya)(ya)甲藍(lan)溶液-1)，室溫下(約25℃)。使用UV / Vis分(fen)光光度計(ji)(Biosystems SP-2000)在645nm分(fen)析(xi)亞(ya)(ya)甲基藍(lan)的剩余濃度。

　　亞(ya)甲基(ji)藍(lan)液吸附的亞(ya)甲基(ji)藍(lan)量(liang)由(you)式(shi)1計算：

　　其(qi)中C 0 (mg L -1)是開始時(shi)間(t = 0)亞(ya)甲基藍(lan)溶(rong)液的濃度，C e(mg L -1)平衡亞(ya)甲藍(lan)溶(rong)液的濃度，V(L)處理溶(rong)液體積，M(g)是吸(xi)附(fu)劑(ji)的質量。

　　為了確定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(tong)過*小二乘擬(ni)合回歸找(zhao)到。

　　碘值(IN)

　　碘(dian)(dian)(dian)(dian)值(zhi)(zhi)根據ASTM D4607-94方法測定。碘(dian)(dian)(dian)(dian)值(zhi)(zhi)定義為(wei)(wei)0.02N(0.02mol L -1)時，被1.0g碘(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)(de)毫(hao)克數被碳吸附。該(gai)方法基(ji)于三點等(deng)溫(wen)線。標準碘(dian)(dian)(dian)(dian)溶液(ye)(ye)在(zai)(zai)特(te)定條件(jian)下用(yong)三種不(bu)同重(zhong)量的(de)(de)活(huo)性(xing)炭處理。實驗包括用(yong)10.0mL的(de)(de)5%HCl處理活(huo)性(xing)炭樣品(pin)。將(jiang)混(hun)合(he)物煮30秒(miao)，然后冷卻(que)。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)(dian)溶液(ye)(ye)加入混(hun)合(he)物中(zhong)，攪拌30秒(miao)。過濾所得溶液(ye)(ye)50.0毫(hao)升濾液(ye)(ye)滴定用(yong)0.1N(0.硫代硫酸鈉，1摩爾(er)大號-1)，以淀粉為(wei)(wei)指示劑。每(mei)克碳吸附的(de)(de)碘(dian)(dian)(dian)(dian)量(X / M)相對(dui)濾液(ye)(ye)(C)用(yong)對(dui)數軸繪制中(zhong)碘(dian)(dian)(dian)(dian)濃度(du)。若殘(can)留碘(dian)(dian)(dian)(dian)濃度(du)(C)不(bu)在(zai)(zai)0.008-0.04 N(0.008-0.04 mol L -在(zai)(zai)1)范圍內，每(mei)個等(deng)溫(wen)點應使(shi)用(yong)不(bu)同的(de)(de)碳質重(zhong)復整個過程。*小二(er)乘擬合(he)回(hui)歸這三點應用(yong)。碘(dian)(dian)(dian)(dian)值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)殘(can)留濃度(du)(C)為(wei)(wei)0.02N(0.02mol L -1)時的(de)(de) X / M值(zhi)(zhi)。所述X / M和(he)C ^ 等(deng)式2和(he)3分別計算值(zhi)(zhi)。

　　其中N I 是(shi)碘溶(rong)(rong)(rong)液(ye)(ye)的當(dang)量(liang)濃度，V I碘溶(rong)(rong)(rong)液(ye)(ye)的添加量(liang)，V HCl是(shi)5%HCl加入體積(ji)，V F 是(shi)滴定中使用的濾(lv)液(ye)(ye)體積(ji)，N Na 2 S 2O 3 鈉硫(liu)代硫(liu)酸鈉溶(rong)(rong)(rong)液(ye)(ye)正常，V Na 2 S 2 O 3 是(shi)硫(liu)代硫(liu)酸鈉溶(rong)(rong)(rong)液(ye)(ye)的消耗量(liang)，M C 是(shi)活(huo)性炭的質量(liang)。

　　比表面積

　　在77K氮(dan)吸附試(shi)驗用儀器(qi)確定(ding)試(shi)樣(yang)(yang)的(de)比(bi)表(biao)(biao)面(mian)積。吸附測(ce)量前，樣(yang)(yang)品為180℃過夜放(fang)氣BET模(mo)型擬合(he)氮(dan)吸附等溫線(xian)，評估樣(yang)(yang)品的(de)比(bi)表(biao)(biao)面(mian)積。

　　孔體積

　　氮(dan)吸附等(deng)(deng)溫線(xian)數據被用(yong)于估計測試樣品的孔(kong)(kong)體(ti)積(ji)。總孔(kong)(kong)體(ti)積(ji)由相對(dui)壓力為0.估計98氮(dan)吸附量。Dubinin-Radushkevich微孔(kong)(kong)體(ti)積(ji)從氮(dan)吸附等(deng)(deng)溫線(xian)計算。

　　多元回歸

　　KS該算法用(yong)(yong)于分(fen)離校準(zhun)組(zu)和(he)測試組(zu)中的(de)樣(yang)品。根據(ju)歐(ou)幾里德幾里德距離選(xuan)(xuan)擇樣(yang)本(ben)(ben)。前兩個樣(yang)本(ben)(ben)相距*遠。以下(xia)樣(yang)本(ben)(ben)是通過(guo)與之(zhi)前選(xuan)(xuan)擇的(de)樣(yang)本(ben)(ben)的(de)距離來(lai)選(xuan)(xuan)擇的(de)。校準(zhun)組(zu)中不同樣(yang)品量(liang)的(de)校準(zhun)。選(xuan)(xuan)擇校準(zhun)中使用(yong)(yong)的(de)樣(yang)本(ben)(ben)數量(liang)來(lai)生成(cheng)顯示測試組(zu)樣(yang)本(ben)(ben)的(de)*小(xiao)誤差模型(xing)。校準(zhun)模型(xing)采用(yong)(yong)*小(xiao)二乘擬合，表面積(ji)由亞甲基藍和(he)碘值確定(ding)，總孔(kong)體(ti)積(ji)和(he)微(wei)孔(kong)體(ti)積(ji)估計。Matlab用(yong)(yong)于計算程序的(de)軟件。

　　結果分析：

　　*初(chu)建立表面(mian)圖，檢查活性炭樣品的(de)表面(mian)積、總孔(kong)(kong)體積和微(wei)孔(kong)(kong)體積與亞甲藍和碘值(zhi)之間的(de)關系(xi)。使用實驗部分引用的(de)樣品的(de)數(shu)據構建圖(圖1S，補充(chong)材料(liao))。

　　在所有情況下，亞甲(jia)基藍(lan)和碘(dian)的(de)數量隨(sui)著(zhu)表面(mian)積(ji)和孔體(ti)積(ji)的(de)比例而增加，這(zhe)(zhe)表明它們是測量這(zhe)(zhe)些性質的(de)有趣探針。事實上，亞甲(jia)基藍(lan)分子的(de)面(mian)積(ji)為15.08納米2，只能進(jin)入(ru)大微孔和中孔。5碘(dian)分子面(mian)積(ji)小(xiao)15 為0.4nm 并且可以(yi)進(jin)入(ru)較小(xiao)的(de)微孔。

　　表面積建模

　　使(shi)用(yong)二次模(mo)型來描(miao)述與表(biao)面(mian)積相比的(de)亞甲基藍(lan)(lan)和碘(dian)的(de)數(shu)量。對(dui)于模(mo)型開發(fa)，Kennard-Stone從105個樣(yang)本中選擇(ze)27個樣(yang)本進(jin)行校準。樣(yang)品表(biao)面(mian)積從199到2105 m 2 g -1不等。亞甲基藍(lan)(lan)的(de)數(shu)量在0到501毫(hao)克之(zhi)間，碘(dian)值(zhi)從155到1670毫(hao)克之(zhi)間。建模(mo)后獲得的(de)表(biao)面(mian)擬合(圖1)由公式4描(miao)述。

　　考慮到我(wo)們(men)獲(huo)得的(de)文獻(xian)和數(shu)據(ju)中的(de)數(shu)據(ju)，通過該方程的(de)表(biao)面積(ji)預(yu)(yu)測(ce)(ce)測(ce)(ce)試了78個測(ce)(ce)試樣品。圖2顯示了等式4預(yu)(yu)測(ce)(ce)的(de)值和實驗BET值之間的(de)比較。

　　觀察值之間的良好相關性表明該模型具(ju)有良好的預測能(neng)力。測試(shi)樣品中(zhong)觀察到的平(ping)(ping)均絕(jue)對誤差為77.8米2 克-1的平(ping)(ping)均相對誤差為11.8%。表1給出了模型的統計參數。

　　據(ju)報道(dao)，碘(dian)(dian)值(zhi)可通(tong)過每次(ci)吸附1mg碘(dian)(dian)的(de)(de)表(biao)面積1m 為活性炭表(biao)面積提供關系(xi)。這一考慮(lv)是在本工作中使用的(de)(de)數據(ju)完成的(de)(de)，但誤差明顯高于(yu)使用等(deng)式(shi)4估(gu)計表(biao)面積時觀察到的(de)(de)誤差。*小(xiao)二乘(cheng)法擬合只能考慮(lv)碘(dian)(dian)值(zhi)，但誤差仍高于(yu)使用公式(shi)4時得到的(de)(de)誤差。因此(ci)，碘(dian)(dian)值(zhi)和亞甲基藍(lan)值(zhi)對于(yu)估(gu)計活性炭的(de)(de)表(biao)面積很重要，因為這些材料(liao)有不同的(de)(de)孔徑，可以根據(ju)孔隙幾何結(jie)構由(you)不同的(de)(de)分子獲得。

　　微孔體積建模

　　微孔(kong)體(ti)積也(ye)用二(er)次模(mo)型描述為(wei)亞(ya)甲藍(lan)和碘值的(de)函(han)數。該模(mo)型是在(zai)共50個(ge)樣本的(de)幫助(zhu)下(xia)建立起(qi)來的(de)，其中包括KS校(xiao)(xiao)準選擇了(le)14個(ge)樣本。校(xiao)(xiao)準范圍為(wei)0.05至(zhi)0.99cm 3 g -1.亞(ya)甲藍(lan)號(hao)-1和碘號(hao)從2到427毫克從195到1670毫克-1變化(hua)。建模(mo)導致表面(mian)擬合(he)(圖3)，由公(gong)式5描述:

　　該(gai)方程適用于(yu)微孔(kong)體積預測，評估包含(han)文(wen)獻中的(de)數據(ju)和(he)我們獲得的(de)數據(ju)的(de)測試(shi)樣(yang)本(ben)。共測試(shi)了36個樣(yang)本(ben)。圖(tu)(tu)形比較（圖(tu)(tu)4）表(biao)明該(gai)模型具有(you)良(liang)好的(de)預測能(neng)力。測試(shi)樣(yang)品組的(de)平均絕對誤(wu)差為(wei)0.05cm 3 g -1.平均相對誤(wu)差為(wei)16.4%。表(biao)2給出了模型的(de)統計參數。

　　由于微(wei)孔的(de)(de)尺寸(cun)優先考(kao)慮碘分子，碘值(zhi)也直接(jie)通過*小二乘回歸與微(wei)孔體(ti)積相關(guan)。然而，誤(wu)差高于考(kao)慮亞甲藍和(he)碘值(zhi)時的(de)(de)誤(wu)差。這表明亞甲藍對(dui)微(wei)孔體(ti)積預測(ce)有(you)一定(ding)的(de)(de)貢獻，可(ke)能是由于大微(wei)孔的(de)(de)吸(xi)附(fu)。

　　總孔體積建模

　　亞甲藍與(yu)碘值與(yu)總孔容之(zhi)間的(de)關系是通(tong)過線性模型建立的(de)。Kennard-Stone從39中選擇的(de)10個樣本對表(biao)面進行建模(圖(tu)5)。

　　校準范圍(wei)被認為(wei)是0.09到(dao)1.11 cm 3 g -1.碘號從195到(dao)1294毫克(ke)-1和2到(dao)427毫克(ke)變化(hua)的亞甲基(ji)藍數字(zi)-1。公式6描(miao)述了(le)該模型：

　　將29個樣品的(de)測試(shi)組應用于測試(shi)總孔體積預(yu)測的(de)方程。預(yu)測值(zhi)與參(can)考值(zhi)的(de)一致性良好。.04cm 3 g -平均絕對(dui)誤(wu)差(cha)和13.4%的(de)平均相對(dui)誤(wu)差(cha)。表(biao)3給出了模(mo)型的(de)統計參(can)數。

　　在(zai)本文中，我(wo)們(men)展示了(le)如何利用(yong)碘(dian)值和(he)亞甲(jia)藍數來估計(ji)活(huo)性(xing)炭(tan)樣(yang)品的(de)(de)(de)(de)表面積、微孔體(ti)積和(he)總孔體(ti)積。用(yong)于(yu)測定碘(dian)和(he)亞甲(jia)藍數量的(de)(de)(de)(de)程序相對便宜和(he)簡單，并且不需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)復雜的(de)(de)(de)(de)設備。此(ci)外，開發的(de)(de)(de)(de)方法(fa)允許從亞甲(jia)基藍和(he)碘(dian)吸附研究中提(ti)取比通常使(shi)用(yong)這種(zhong)材(cai)料更多的(de)(de)(de)(de)信息(xi)。雖(sui)然(ran)這種(zhong)方法(fa)不能取代活(huo)性(xing)炭(tan)的(de)(de)(de)(de)適當紋理特性(xing)，但(dan)對于(yu)沒有氣體(ti)吸附實驗設備的(de)(de)(de)(de)實驗室來說(shuo)，非常有價值的(de)(de)(de)(de)。