估算(suan)活(huo)性炭表面積和(he)孔體積

　　活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)是(shi)(shi)各種工藝(yi)中非常重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)多(duo)孔(kong)材(cai)(cai)料(liao)。活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)的(de)(de)(de)(de)主(zhu)要用途(tu)是(shi)(shi)吸附氣相或液相中的(de)(de)(de)(de)污染物(wu)，儲(chu)存氣體(ti)(ti) 并用作催化劑載體(ti)(ti)。活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)等多(duo)孔(kong)材(cai)(cai)料(liao)通常有幾個(ge)物(wu)理參數，如表面積(ji)和(he)孔(kong)隙體(ti)(ti)積(ji)。在(zai)這(zhe)(zhe)些(xie)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)開發中，滿足(zu)這(zhe)(zhe)些(xie)物(wu)理性(xing)能是(shi)(shi)非常重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)，因為它(ta)們將直接影響(xiang)材(cai)(cai)料(liao)在(zai)其應用中的(de)(de)(de)(de)性(xing)能。

　　通常使用活性炭的(de)(de)(de)表(biao)面積(ji)BET液氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溫度(77)K)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣在(zai)不同(tong)壓(ya)力下吸附(fu)(fu)。然(ran)后根(gen)據BET表(biao)面積(ji)由(you)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)分子(zi)的(de)(de)(de)橫截(jie)面積(ji)、阿伏加德羅數和氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)(de)特定(ding)單層(ceng)容量的(de)(de)(de)乘積(ji)決定(ding)，由(you)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)分子(zi)的(de)(de)(de)橫截(jie)面積(ji)決定(ding)BET進一步(bu)修(xiu)改提出的(de)(de)(de)等式。氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)吸附(fu)(fu)等溫線數據也(ye)用(yong)于測(ce)量孔體積(ji)。總孔體積(ji)根(gen)據*高相對壓(ya)力下吸附(fu)(fu)的(de)(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)量進行(xing)估計，并使用(yong)Dubinin-Radushkevich微孔體積(ji)從(cong)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)吸附(fu)(fu)等溫線計算。雖然(ran)這些(xie)方法在(zai)多孔材料(liao)的(de)(de)(de)表(biao)面積(ji)和孔體積(ji)測(ce)定(ding)中被更多地用(yong)作參考，但這些(xie)方法耗時且昂貴。

　　通過亞(ya)甲(jia)基(ji)藍、碘等不同(tong)吸(xi)附(fu)(fu)物(wu)的(de)(de)(de)吸(xi)附(fu)(fu)特(te)(te)性(xing)(xing)，可以獲得更多(duo)關于活性(xing)(xing)炭(tan)結(jie)構的(de)(de)(de)信息。這些(xie)(xie)(xie)分(fen)子(zi)的(de)(de)(de)吸(xi)附(fu)(fu)料吸(xi)附(fu)(fu)能力(li)的(de)(de)(de)信息，這些(xie)(xie)(xie)分(fen)子(zi)的(de)(de)(de)吸(xi)附(fu)(fu)實驗很容易和(he)習慣性(xing)(xing)地表(biao)示活性(xing)(xing)炭(tan)。根據(ju)亞(ya)甲(jia)基(ji)藍分(fen)子(zi)的(de)(de)(de)大小，它主要吸(xi)附(fu)(fu)在(zai)中(zhong)(zhong)孔中(zhong)(zhong)，但在(zai)較大的(de)(de)(de)微孔中(zhong)(zhong)也發現(xian)了一小部分(fen)。至(zhi)于亞(ya)甲(jia)藍，碘分(fen)子(zi)尺(chi)寸較差(cha)，可以滲透到微孔中(zhong)(zhong)。這些(xie)(xie)(xie)特(te)(te)征賦(fu)予了這些(xie)(xie)(xie)分(fen)子(zi)在(zai)活性(xing)(xing)炭(tan)物(wu)理(li)結(jie)構研究(jiu)中(zhong)(zhong)探(tan)針(zhen)的(de)(de)(de)潛力(li)。盡管如此，亞(ya)甲(jia)基(ji)藍與碘值的(de)(de)(de)定量關系(xi)和(he)活性(xing)(xing)炭(tan)的(de)(de)(de)結(jie)構特(te)(te)性(xing)(xing)還沒有詳細研究(jiu)。

　　本文(wen)的目的是證明活性炭(tan)的表面積(ji)，微孔體(ti)積(ji)和總孔體(ti)積(ji)可以通過碘和亞甲基藍(lan)的數(shu)(shu)值進行多(duo)元(yuan)化回歸(gui)來估算。該方法是考(kao)慮從(cong)不同的前(qian)系統中提取(qu)(qu)的活性炭(tan)樣品和從(cong)文(wen)獻(xian)中提取(qu)(qu)的數(shu)(shu)據。

　　測試實驗開始：

　　活性炭樣品

　　方法(fa)開發了多種活性(xing)炭樣(yang)品的表面(mian)積、微孔(kong)(kong)體積、總孔(kong)(kong)體積、碘值和亞(ya)甲藍數(shu)量。

　　亞甲(jia)基藍(MBN)

　　亞(ya)甲藍數(shu)定(ding)義為1.0g吸(xi)附劑上(shang)吸(xi)附的染(ran)料*多。10..0毫克活性炭被置(zhi)于與10.處理24小時(shi)不同濃(nong)度(du)(10、25、50、100、250、500、1000毫克L亞(ya)甲藍溶液-1)，室溫下(約25℃)。使用(yong)UV / Vis分(fen)光光度(du)計(Biosystems SP-2000)在645nm分(fen)析亞(ya)甲基藍的剩余濃(nong)度(du)。

　　亞甲(jia)基(ji)藍液吸附的亞甲(jia)基(ji)藍量(liang)由式1計算：

　　其中C 0 (mg L -1)是開始時間(t = 0)亞甲基藍(lan)(lan)溶(rong)液的(de)濃度，C e(mg L -1)平衡亞甲藍(lan)(lan)溶(rong)液的(de)濃度，V(L)處(chu)理溶(rong)液體積，M(g)是吸(xi)附(fu)劑的(de)質量。

　　為了確定(ding)Langmuir模型的(de)亞甲基藍數(shu)，使用(yong)C e的(de)函(han)數(shu)作(zuo)出(chu)q eq曲線。Langmuir參數(shu)(q max 和K L)通(tong)過*小(xiao)二乘(cheng)擬(ni)合回歸找(zhao)到。

　　碘值(IN)

　　碘(dian)(dian)值(zhi)(zhi)根據(ju)ASTM D4607-94方法測定(ding)。碘(dian)(dian)值(zhi)(zhi)定(ding)義(yi)為0.02N(0.02mol L -1)時，被1.0g碘(dian)(dian)的毫克數(shu)被碳(tan)吸附。該方法基于三(san)點(dian)等溫線(xian)。標準碘(dian)(dian)溶液(ye)(ye)(ye)在特定(ding)條件下用(yong)(yong)(yong)三(san)種不同重量(liang)的活性(xing)炭(tan)處理(li)。實驗包括用(yong)(yong)(yong)10.0mL的5%HCl處理(li)活性(xing)炭(tan)樣品。將(jiang)混合(he)(he)物煮30秒，然后(hou)冷卻。不久之后(hou)，將(jiang)是100.0mL的0.1N(0.1mol L -1)將(jiang)碘(dian)(dian)溶液(ye)(ye)(ye)加入混合(he)(he)物中(zhong)，攪拌30秒。過濾所(suo)得溶液(ye)(ye)(ye)50.0毫升濾液(ye)(ye)(ye)滴(di)定(ding)用(yong)(yong)(yong)0.1N(0.硫代硫酸(suan)鈉，1摩爾大號-1)，以(yi)淀粉(fen)為指示(shi)劑。每克碳(tan)吸附的碘(dian)(dian)量(liang)(X / M)相對濾液(ye)(ye)(ye)(C)用(yong)(yong)(yong)對數(shu)軸繪制中(zhong)碘(dian)(dian)濃度。若殘留碘(dian)(dian)濃度(C)不在0.008-0.04 N(0.008-0.04 mol L -在1)范圍內(nei)，每個等溫點(dian)應使(shi)用(yong)(yong)(yong)不同的碳(tan)質(zhi)重復整(zheng)個過程。*小(xiao)二乘擬合(he)(he)回歸這(zhe)三(san)點(dian)應用(yong)(yong)(yong)。碘(dian)(dian)值(zhi)(zhi)為殘留濃度(C)為0.02N(0.02mol L -1)時的 X / M值(zhi)(zhi)。所(suo)述X / M和(he)C ^ 等式2和(he)3分別(bie)計算值(zhi)(zhi)。

　　其中N I 是(shi)(shi)碘溶液(ye)的(de)(de)(de)當(dang)量(liang)(liang)濃度，V I碘溶液(ye)的(de)(de)(de)添加量(liang)(liang)，V HCl是(shi)(shi)5%HCl加入體(ti)(ti)積，V F 是(shi)(shi)滴(di)定中使(shi)用(yong)的(de)(de)(de)濾(lv)液(ye)體(ti)(ti)積，N Na 2 S 2O 3 鈉硫代(dai)硫酸鈉溶液(ye)正(zheng)常(chang)，V Na 2 S 2 O 3 是(shi)(shi)硫代(dai)硫酸鈉溶液(ye)的(de)(de)(de)消耗量(liang)(liang)，M C 是(shi)(shi)活性炭的(de)(de)(de)質量(liang)(liang)。

　　比表面積

　　在77K氮(dan)吸(xi)附(fu)試驗用儀器確定試樣(yang)(yang)的比(bi)表(biao)面(mian)積(ji)。吸(xi)附(fu)測量前，樣(yang)(yang)品為180℃過夜放氣BET模(mo)型(xing)擬(ni)合(he)氮(dan)吸(xi)附(fu)等溫線(xian)，評估(gu)樣(yang)(yang)品的比(bi)表(biao)面(mian)積(ji)。

　　孔體積

　　氮吸附等(deng)溫線(xian)數(shu)據(ju)被(bei)用于估計(ji)(ji)測試(shi)樣品的孔(kong)體積。總孔(kong)體積由相對壓力為0.估計(ji)(ji)98氮吸附量。Dubinin-Radushkevich微孔(kong)體積從氮吸附等(deng)溫線(xian)計(ji)(ji)算。

　　多元回歸

　　KS該算(suan)法用(yong)于分離(li)校(xiao)(xiao)準組(zu)(zu)和測試(shi)組(zu)(zu)中的(de)樣品。根(gen)據歐(ou)幾(ji)里(li)德幾(ji)里(li)德距(ju)離(li)選(xuan)擇(ze)(ze)樣本。前兩(liang)個樣本相距(ju)*遠(yuan)。以下樣本是(shi)通過(guo)與之(zhi)前選(xuan)擇(ze)(ze)的(de)樣本的(de)距(ju)離(li)來(lai)選(xuan)擇(ze)(ze)的(de)。校(xiao)(xiao)準組(zu)(zu)中不同樣品量的(de)校(xiao)(xiao)準。選(xuan)擇(ze)(ze)校(xiao)(xiao)準中使用(yong)的(de)樣本數(shu)量來(lai)生成顯示測試(shi)組(zu)(zu)樣本的(de)*小誤差模(mo)型。校(xiao)(xiao)準模(mo)型采(cai)用(yong)*小二乘擬合，表面積由亞甲基藍(lan)和碘值確定，總孔體積和微(wei)孔體積估計。Matlab用(yong)于計算(suan)程序的(de)軟件。

　　結果分析：

　　*初建立(li)表面(mian)圖(tu)，檢(jian)查活性炭樣品(pin)的表面(mian)積、總(zong)孔體積和(he)微(wei)孔體積與亞甲藍和(he)碘值之間(jian)的關系。使用實驗部(bu)分引用的樣品(pin)的數據構(gou)建圖(tu)(圖(tu)1S，補充(chong)材料)。

　　在(zai)所(suo)有情況(kuang)下，亞甲基(ji)藍(lan)(lan)和(he)碘(dian)的(de)數量(liang)隨著(zhu)表面積和(he)孔(kong)(kong)體積的(de)比(bi)例而增(zeng)加，這表明它們(men)是(shi)測量(liang)這些(xie)性質(zhi)的(de)有趣探(tan)針。事實上，亞甲基(ji)藍(lan)(lan)分子的(de)面積為15.08納米2，只能進入大微孔(kong)(kong)和(he)中(zhong)孔(kong)(kong)。5碘(dian)分子面積小(xiao)15 為0.4nm 并且可以進入較小(xiao)的(de)微孔(kong)(kong)。

　　表面積建模

　　使用二(er)次模型來描述與表(biao)面積(ji)相比的亞甲基(ji)藍和碘(dian)的數量。對(dui)于(yu)模型開發(fa)，Kennard-Stone從105個(ge)樣(yang)本中選擇27個(ge)樣(yang)本進行(xing)校準。樣(yang)品(pin)表(biao)面積(ji)從199到(dao)2105 m 2 g -1不等。亞甲基(ji)藍的數量在(zai)0到(dao)501毫克之(zhi)間，碘(dian)值(zhi)從155到(dao)1670毫克之(zhi)間。建模后獲得的表(biao)面擬合(圖1)由(you)公(gong)式4描述。

　　考慮到我們獲(huo)得的(de)文獻和(he)數據中的(de)數據，通過該方程的(de)表面積(ji)預測測試了78個測試樣品。圖(tu)2顯示了等式(shi)4預測的(de)值和(he)實驗BET值之間的(de)比較。

　　觀察值之(zhi)間(jian)的良好(hao)相關性表明該模(mo)型具有良好(hao)的預測能力。測試樣品中觀察到的平均(jun)絕對誤(wu)差(cha)為77.8米2 克(ke)-1的平均(jun)相對誤(wu)差(cha)為11.8%。表1給出了模(mo)型的統計參數。

　　據報道(dao)，碘值可通過每次吸附1mg碘的表(biao)面(mian)積1m 為(wei)活性(xing)炭表(biao)面(mian)積提供(gong)關(guan)系。這一考慮是在本工作中使用的數(shu)據完成的，但誤(wu)差明顯高(gao)于使用等式4估計表(biao)面(mian)積時觀察到的誤(wu)差。*小二乘法擬合只能(neng)考慮碘值，但誤(wu)差仍高(gao)于使用公式4時得(de)到的誤(wu)差。因(yin)此，碘值和亞甲基藍值對于估計活性(xing)炭的表(biao)面(mian)積很重要，因(yin)為(wei)這些材料有不(bu)同的孔徑，可以根據孔隙幾(ji)何結構由(you)不(bu)同的分(fen)子獲得(de)。

　　微孔體積建模

　　微孔體積也(ye)用二(er)次模(mo)(mo)型描(miao)述(shu)為亞甲藍(lan)和(he)(he)碘值的(de)(de)函數(shu)。該模(mo)(mo)型是(shi)在共50個樣(yang)本的(de)(de)幫(bang)助下建(jian)立起來的(de)(de)，其中包括(kuo)KS校準(zhun)選擇(ze)了14個樣(yang)本。校準(zhun)范圍為0.05至0.99cm 3 g -1.亞甲藍(lan)號(hao)(hao)-1和(he)(he)碘號(hao)(hao)從2到427毫(hao)(hao)克(ke)(ke)從195到1670毫(hao)(hao)克(ke)(ke)-1變化(hua)。建(jian)模(mo)(mo)導致(zhi)表面擬合(圖(tu)3)，由公式5描(miao)述(shu):

　　該方程適(shi)用于(yu)微(wei)孔體積預(yu)測(ce)，評估包含文獻中的(de)數據和我(wo)們獲得的(de)數據的(de)測(ce)試(shi)樣本。共測(ce)試(shi)了(le)36個樣本。圖形比較（圖4）表(biao)明該模(mo)型具有良好(hao)的(de)預(yu)測(ce)能力。測(ce)試(shi)樣品組的(de)平(ping)均絕(jue)對誤(wu)差為(wei)(wei)0.05cm 3 g -1.平(ping)均相對誤(wu)差為(wei)(wei)16.4%。表(biao)2給出了(le)模(mo)型的(de)統計(ji)參數。

　　由于(yu)微孔的尺(chi)寸優先考慮碘(dian)分子，碘(dian)值也直(zhi)接(jie)通過*小二乘回歸與微孔體積相關。然而，誤(wu)差高于(yu)考慮亞甲(jia)藍(lan)和(he)碘(dian)值時的誤(wu)差。這表明亞甲(jia)藍(lan)對微孔體積預測有一定的貢(gong)獻，可能是由于(yu)大微孔的吸附。

　　總孔體積建模

　　亞甲藍與(yu)碘值與(yu)總孔容之(zhi)間的關系(xi)是通過線性(xing)模型(xing)建(jian)立的。Kennard-Stone從39中(zhong)選(xuan)擇(ze)的10個樣本對表(biao)面進行建(jian)模(圖(tu)5)。

　　校準范(fan)圍被認為是0.09到1.11 cm 3 g -1.碘號從195到1294毫克-1和2到427毫克變化的亞甲基(ji)藍數字-1。公(gong)式6描述了該模(mo)型：

　　將29個樣品(pin)的測(ce)(ce)試(shi)組應用(yong)于(yu)測(ce)(ce)試(shi)總(zong)孔(kong)體(ti)積預測(ce)(ce)的方(fang)程。預測(ce)(ce)值與(yu)參考值的一致性良(liang)好(hao)。.04cm 3 g -平均(jun)絕對誤差和13.4%的平均(jun)相對誤差。表3給(gei)出了模型的統計(ji)參數。

　　在本文中(zhong)(zhong)，我們展(zhan)示(shi)了如(ru)何利用(yong)碘值和(he)亞甲(jia)藍(lan)數(shu)(shu)來(lai)估計活(huo)性炭(tan)樣(yang)品的(de)(de)表(biao)面積(ji)、微孔(kong)體積(ji)和(he)總孔(kong)體積(ji)。用(yong)于(yu)測定碘和(he)亞甲(jia)藍(lan)數(shu)(shu)量的(de)(de)程序相對便宜和(he)簡單，并(bing)且不(bu)需(xu)要使(shi)用(yong)復雜(za)的(de)(de)設備。此外，開發的(de)(de)方法允許從亞甲(jia)基藍(lan)和(he)碘吸附(fu)研究中(zhong)(zhong)提取比通常使(shi)用(yong)這種(zhong)材(cai)料更多的(de)(de)信(xin)息。雖然這種(zhong)方法不(bu)能取代(dai)活(huo)性炭(tan)的(de)(de)適當(dang)紋理特性，但對于(yu)沒有(you)氣體吸附(fu)實驗(yan)設備的(de)(de)實驗(yan)室來(lai)說，非常有(you)價值的(de)(de)。