估算活(huo)性炭表面積(ji)和孔(kong)體(ti)積(ji)

　　活(huo)性炭(tan)是各種工藝中(zhong)非(fei)常重(zhong)要(yao)(yao)(yao)的多孔材料。活(huo)性炭(tan)的主要(yao)(yao)(yao)用(yong)途是吸附氣相(xiang)或液(ye)相(xiang)中(zhong)的污染(ran)物(wu)，儲存(cun)氣體(ti)(ti) 并用(yong)作催(cui)化劑載體(ti)(ti)。活(huo)性炭(tan)等多孔材料通常有幾個物(wu)理(li)參數，如(ru)表面積(ji)和孔隙體(ti)(ti)積(ji)。在這些材料的開發中(zhong)，滿(man)足這些物(wu)理(li)性能是非(fei)常重(zhong)要(yao)(yao)(yao)的，因為它們將直接影響材料在其應用(yong)中(zhong)的性能。

　　通常使用活性炭的(de)(de)表(biao)面(mian)積(ji)BET液氮(dan)(dan)(dan)溫度(77)K)氮(dan)(dan)(dan)氣在不同壓力下吸附。然后根據(ju)BET表(biao)面(mian)積(ji)由氮(dan)(dan)(dan)分子(zi)(zi)的(de)(de)橫截面(mian)積(ji)、阿伏加德(de)羅數和(he)氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)特定單層(ceng)容(rong)量的(de)(de)乘(cheng)積(ji)決(jue)定，由氮(dan)(dan)(dan)分子(zi)(zi)的(de)(de)橫截面(mian)積(ji)決(jue)定BET進(jin)一步修改提出(chu)的(de)(de)等(deng)(deng)式。氮(dan)(dan)(dan)吸附等(deng)(deng)溫線(xian)(xian)數據(ju)也(ye)用于測量孔體積(ji)。總(zong)孔體積(ji)根據(ju)*高相對壓力下吸附的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)量進(jin)行估計，并使用Dubinin-Radushkevich微孔體積(ji)從氮(dan)(dan)(dan)吸附等(deng)(deng)溫線(xian)(xian)計算。雖(sui)然這(zhe)些方法在多孔材(cai)料的(de)(de)表(biao)面(mian)積(ji)和(he)孔體積(ji)測定中被(bei)更多地用作參考，但這(zhe)些方法耗時且昂貴。

　　通過(guo)亞(ya)甲(jia)基(ji)(ji)藍、碘(dian)等不同吸(xi)附(fu)物的(de)(de)吸(xi)附(fu)特(te)性，可以(yi)獲(huo)得更(geng)多關(guan)于(yu)活(huo)性炭結構的(de)(de)信息(xi)。這些分子(zi)(zi)的(de)(de)吸(xi)附(fu)料吸(xi)附(fu)能力的(de)(de)信息(xi)，這些分子(zi)(zi)的(de)(de)吸(xi)附(fu)實驗很容易和習(xi)慣性地表示活(huo)性炭。根據(ju)亞(ya)甲(jia)基(ji)(ji)藍分子(zi)(zi)的(de)(de)大小，它主要(yao)吸(xi)附(fu)在中(zhong)(zhong)孔中(zhong)(zhong)，但(dan)在較(jiao)(jiao)大的(de)(de)微(wei)孔中(zhong)(zhong)也發現了一小部分。至于(yu)亞(ya)甲(jia)藍，碘(dian)分子(zi)(zi)尺寸較(jiao)(jiao)差，可以(yi)滲透到微(wei)孔中(zhong)(zhong)。這些特(te)征賦予(yu)了這些分子(zi)(zi)在活(huo)性炭物理結構研究中(zhong)(zhong)探(tan)針的(de)(de)潛(qian)力。盡管如此，亞(ya)甲(jia)基(ji)(ji)藍與碘(dian)值的(de)(de)定量(liang)關(guan)系和活(huo)性炭的(de)(de)結構特(te)性還沒有(you)詳細研究。

　　本(ben)文(wen)的(de)目的(de)是證(zheng)明活性炭的(de)表面積，微孔體(ti)積和總孔體(ti)積可以通過(guo)碘(dian)和亞甲基藍的(de)數值(zhi)進行多元化回歸來估算。該方法是考慮從(cong)不(bu)同(tong)的(de)前系(xi)統中(zhong)提取的(de)活性炭樣品和從(cong)文(wen)獻(xian)中(zhong)提取的(de)數據。

　　測試實驗開始：

　　活性炭樣品

　　方法開發(fa)了多種活性炭樣品的表面積(ji)、微孔體積(ji)、總孔體積(ji)、碘值和(he)亞甲藍(lan)數(shu)量。

　　亞甲基藍(lan)(MBN)

　　亞(ya)甲(jia)藍數定義為(wei)1.0g吸附劑(ji)上吸附的染料(liao)*多(duo)。10..0毫克活性炭被置于與10.處理(li)24小時不同(tong)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UV / Vis分(fen)光光度計(Biosystems SP-2000)在645nm分(fen)析亞(ya)甲(jia)基藍的剩余濃度。

　　亞甲基(ji)(ji)藍液吸附的亞甲基(ji)(ji)藍量由(you)式1計算：

　　其中C 0 (mg L -1)是開(kai)始時間(t = 0)亞(ya)甲基藍溶(rong)液(ye)(ye)的濃度，C e(mg L -1)平(ping)衡亞(ya)甲藍溶(rong)液(ye)(ye)的濃度，V(L)處理溶(rong)液(ye)(ye)體積，M(g)是吸附劑的質(zhi)量。

　　為了確定(ding)Langmuir模型的(de)亞甲基藍數(shu)，使(shi)用C e的(de)函數(shu)作(zuo)出(chu)q eq曲線。Langmuir參數(shu)(q max 和K L)通(tong)過*小二乘(cheng)擬合回歸找到(dao)。

　　碘值(IN)

　　碘(dian)(dian)值(zhi)(zhi)根據ASTM D4607-94方(fang)法(fa)測定(ding)。碘(dian)(dian)值(zhi)(zhi)定(ding)義為(wei)(wei)0.02N(0.02mol L -1)時，被(bei)1.0g碘(dian)(dian)的(de)毫克(ke)數被(bei)碳(tan)吸(xi)(xi)附。該方(fang)法(fa)基于三點(dian)等(deng)溫(wen)線。標準碘(dian)(dian)溶(rong)液(ye)在特(te)定(ding)條件下用(yong)三種不同重(zhong)量(liang)的(de)活性炭(tan)處理(li)。實驗包括(kuo)用(yong)10.0mL的(de)5%HCl處理(li)活性炭(tan)樣品(pin)。將混(hun)合(he)物煮30秒，然(ran)后(hou)(hou)冷卻。不久之后(hou)(hou)，將是100.0mL的(de)0.1N(0.1mol L -1)將碘(dian)(dian)溶(rong)液(ye)加入混(hun)合(he)物中，攪拌30秒。過(guo)濾所得溶(rong)液(ye)50.0毫升(sheng)濾液(ye)滴定(ding)用(yong)0.1N(0.硫代硫酸鈉，1摩(mo)爾大號-1)，以(yi)淀粉為(wei)(wei)指示劑(ji)。每克(ke)碳(tan)吸(xi)(xi)附的(de)碘(dian)(dian)量(liang)(X / M)相對濾液(ye)(C)用(yong)對數軸繪制(zhi)中碘(dian)(dian)濃(nong)度。若殘留碘(dian)(dian)濃(nong)度(C)不在0.008-0.04 N(0.008-0.04 mol L -在1)范(fan)圍內(nei)，每個等(deng)溫(wen)點(dian)應(ying)使(shi)用(yong)不同的(de)碳(tan)質(zhi)重(zhong)復整個過(guo)程。*小二乘擬(ni)合(he)回歸這三點(dian)應(ying)用(yong)。碘(dian)(dian)值(zhi)(zhi)為(wei)(wei)殘留濃(nong)度(C)為(wei)(wei)0.02N(0.02mol L -1)時的(de) X / M值(zhi)(zhi)。所述X / M和C ^ 等(deng)式2和3分別(bie)計算(suan)值(zhi)(zhi)。

　　其中N I 是(shi)碘溶液的當(dang)量(liang)濃度，V I碘溶液的添加量(liang)，V HCl是(shi)5%HCl加入(ru)體(ti)積(ji)，V F 是(shi)滴定(ding)中使用的濾液體(ti)積(ji)，N Na 2 S 2O 3 鈉(na)硫(liu)(liu)代硫(liu)(liu)酸鈉(na)溶液正(zheng)常，V Na 2 S 2 O 3 是(shi)硫(liu)(liu)代硫(liu)(liu)酸鈉(na)溶液的消耗量(liang)，M C 是(shi)活(huo)性炭的質量(liang)。

　　比表面積

　　在77K氮吸附試(shi)(shi)驗用(yong)儀器確定試(shi)(shi)樣的比(bi)表面(mian)積。吸附測(ce)量前，樣品為180℃過夜放氣(qi)BET模(mo)型(xing)擬合氮吸附等(deng)溫線，評估樣品的比(bi)表面(mian)積。

　　孔體積

　　氮吸附(fu)(fu)等(deng)溫線數據被用于估計測試樣(yang)品的孔體(ti)積(ji)。總(zong)孔體(ti)積(ji)由相(xiang)對(dui)壓力為0.估計98氮吸附(fu)(fu)量。Dubinin-Radushkevich微孔體(ti)積(ji)從氮吸附(fu)(fu)等(deng)溫線計算。

　　多元回歸

　　KS該算(suan)法用(yong)于分離(li)校準(zhun)組(zu)和(he)測(ce)試組(zu)中的(de)(de)樣(yang)品。根據歐幾里(li)德幾里(li)德距(ju)(ju)離(li)選(xuan)(xuan)(xuan)擇(ze)樣(yang)本(ben)。前兩(liang)個樣(yang)本(ben)相(xiang)距(ju)(ju)*遠。以下樣(yang)本(ben)是通過與之前選(xuan)(xuan)(xuan)擇(ze)的(de)(de)樣(yang)本(ben)的(de)(de)距(ju)(ju)離(li)來選(xuan)(xuan)(xuan)擇(ze)的(de)(de)。校準(zhun)組(zu)中不同樣(yang)品量的(de)(de)校準(zhun)。選(xuan)(xuan)(xuan)擇(ze)校準(zhun)中使用(yong)的(de)(de)樣(yang)本(ben)數(shu)量來生(sheng)成顯示測(ce)試組(zu)樣(yang)本(ben)的(de)(de)*小誤差模型。校準(zhun)模型采用(yong)*小二乘擬合，表面積(ji)由亞甲(jia)基藍和(he)碘值確定，總孔體(ti)積(ji)和(he)微孔體(ti)積(ji)估(gu)計(ji)。Matlab用(yong)于計(ji)算(suan)程序的(de)(de)軟件。

　　結果分析：

　　*初建(jian)立表(biao)面(mian)圖(tu)，檢查活性(xing)炭樣(yang)品(pin)的(de)表(biao)面(mian)積、總孔(kong)體積和微孔(kong)體積與亞甲(jia)藍和碘(dian)值之間的(de)關系。使用(yong)實驗部分引用(yong)的(de)樣(yang)品(pin)的(de)數據構(gou)建(jian)圖(tu)(圖(tu)1S，補(bu)充材料)。

　　在所有(you)情況下，亞(ya)甲基藍(lan)和碘的數量隨著表面積(ji)和孔(kong)體積(ji)的比例而增加(jia)，這表明(ming)它們是測(ce)量這些性質的有(you)趣探針(zhen)。事(shi)實上，亞(ya)甲基藍(lan)分(fen)(fen)子的面積(ji)為(wei)15.08納米2，只能進(jin)入大(da)微(wei)(wei)孔(kong)和中孔(kong)。5碘分(fen)(fen)子面積(ji)小15 為(wei)0.4nm 并且可(ke)以進(jin)入較小的微(wei)(wei)孔(kong)。

　　表面積建模

　　使(shi)用二次模(mo)型來(lai)描(miao)述(shu)與表面(mian)積(ji)相比的(de)亞(ya)甲(jia)基(ji)藍和碘(dian)的(de)數量。對于模(mo)型開發，Kennard-Stone從(cong)105個樣(yang)本中(zhong)選擇27個樣(yang)本進行(xing)校準。樣(yang)品表面(mian)積(ji)從(cong)199到(dao)2105 m 2 g -1不等。亞(ya)甲(jia)基(ji)藍的(de)數量在0到(dao)501毫(hao)克之間(jian)，碘(dian)值從(cong)155到(dao)1670毫(hao)克之間(jian)。建模(mo)后獲(huo)得(de)的(de)表面(mian)擬合(he)(圖(tu)1)由公式(shi)4描(miao)述(shu)。

　　考(kao)慮(lv)到我們獲得的文(wen)獻和數據(ju)中的數據(ju)，通過該方(fang)程(cheng)的表面積預測(ce)測(ce)試了78個測(ce)試樣品。圖2顯示了等式4預測(ce)的值(zhi)和實驗BET值(zhi)之間的比較。

　　觀察值之(zhi)間的(de)良(liang)(liang)好(hao)相關性表(biao)明該(gai)模型具有良(liang)(liang)好(hao)的(de)預測能力(li)。測試(shi)樣品中觀察到的(de)平(ping)均(jun)絕(jue)對誤(wu)差為77.8米2 克-1的(de)平(ping)均(jun)相對誤(wu)差為11.8%。表(biao)1給出了模型的(de)統計(ji)參數。

　　據報道，碘(dian)值(zhi)可通過(guo)每次吸附(fu)1mg碘(dian)的(de)表面(mian)積1m 為活(huo)性(xing)炭(tan)表面(mian)積提供(gong)關系。這一考(kao)慮是在本工(gong)作中使用(yong)(yong)的(de)數(shu)據完成的(de)，但誤差(cha)明顯高于(yu)使用(yong)(yong)等式4估計(ji)表面(mian)積時(shi)觀察到的(de)誤差(cha)。*小二乘法擬合(he)只能考(kao)慮碘(dian)值(zhi)，但誤差(cha)仍(reng)高于(yu)使用(yong)(yong)公式4時(shi)得(de)(de)到的(de)誤差(cha)。因此，碘(dian)值(zhi)和亞甲(jia)基藍值(zhi)對于(yu)估計(ji)活(huo)性(xing)炭(tan)的(de)表面(mian)積很重要，因為這些材料有不(bu)同(tong)的(de)孔(kong)徑，可以根據孔(kong)隙幾何(he)結(jie)構由不(bu)同(tong)的(de)分子獲得(de)(de)。

　　微孔體積建模

　　微孔(kong)體積也用二(er)次模型(xing)描(miao)述(shu)為(wei)亞甲(jia)藍和碘值的函(han)數。該模型(xing)是(shi)在共(gong)50個(ge)樣(yang)本的幫助下建立起來的，其中包(bao)括KS校準(zhun)選擇了14個(ge)樣(yang)本。校準(zhun)范圍為(wei)0.05至(zhi)0.99cm 3 g -1.亞甲(jia)藍號-1和碘號從(cong)2到427毫克從(cong)195到1670毫克-1變化。建模導致表面擬合(he)(圖3)，由公式5描(miao)述(shu):

　　該方程(cheng)適(shi)用于微孔體積預(yu)測(ce)(ce)，評估包(bao)含(han)文(wen)獻中的數據和我們獲得的數據的測(ce)(ce)試樣本。共測(ce)(ce)試了36個樣本。圖形比(bi)較（圖4）表(biao)明該模型(xing)具有良好的預(yu)測(ce)(ce)能力(li)。測(ce)(ce)試樣品(pin)組的平均(jun)絕對誤(wu)差(cha)為0.05cm 3 g -1.平均(jun)相(xiang)對誤(wu)差(cha)為16.4%。表(biao)2給(gei)出了模型(xing)的統計參數。

　　由于(yu)微(wei)孔的(de)(de)(de)尺寸優先考(kao)(kao)慮碘分子，碘值也(ye)直接通過*小二(er)乘回歸與微(wei)孔體積相關(guan)。然而(er)，誤差(cha)高于(yu)考(kao)(kao)慮亞甲(jia)(jia)藍和(he)碘值時的(de)(de)(de)誤差(cha)。這表明(ming)亞甲(jia)(jia)藍對(dui)微(wei)孔體積預測有一定的(de)(de)(de)貢獻，可能(neng)是(shi)由于(yu)大微(wei)孔的(de)(de)(de)吸(xi)附。

　　總孔體積建模

　　亞甲藍(lan)與(yu)碘值與(yu)總孔容之間(jian)的(de)關系是通過線(xian)性模型建立的(de)。Kennard-Stone從39中(zhong)選擇的(de)10個樣本(ben)對表面進(jin)行建模(圖5)。

　　校準范圍被認(ren)為是(shi)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(ji)藍數字-1。公式(shi)6描述了該(gai)模型：

　　將(jiang)29個(ge)樣品的(de)測(ce)試組應用(yong)于測(ce)試總孔體積預測(ce)的(de)方程。預測(ce)值(zhi)與參考值(zhi)的(de)一(yi)致性良好。.04cm 3 g -平均絕對(dui)(dui)誤(wu)差和(he)13.4%的(de)平均相對(dui)(dui)誤(wu)差。表(biao)3給出了模型的(de)統計(ji)參數。

　　在本文中(zhong)，我們展示了如(ru)何利用(yong)(yong)碘(dian)值(zhi)和亞甲(jia)藍(lan)數(shu)來估(gu)計活(huo)性炭樣品(pin)的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)積(ji)(ji)、微孔體積(ji)(ji)和總(zong)孔體積(ji)(ji)。用(yong)(yong)于測定(ding)碘(dian)和亞甲(jia)藍(lan)數(shu)量的(de)(de)(de)程序相對(dui)便宜和簡(jian)單(dan)，并且不需要使用(yong)(yong)復雜的(de)(de)(de)設備。此外，開發的(de)(de)(de)方(fang)法(fa)允許從(cong)亞甲(jia)基藍(lan)和碘(dian)吸附(fu)(fu)研(yan)究中(zhong)提取比通常使用(yong)(yong)這(zhe)種材(cai)料更多的(de)(de)(de)信息(xi)。雖然這(zhe)種方(fang)法(fa)不能取代(dai)活(huo)性炭的(de)(de)(de)適當紋理特性，但對(dui)于沒有氣體吸附(fu)(fu)實驗(yan)設備的(de)(de)(de)實驗(yan)室(shi)來說，非(fei)常有價值(zhi)的(de)(de)(de)。