估算活性(xing)炭表面積和孔體積

　　活(huo)性炭是(shi)各種工(gong)藝中(zhong)非(fei)常重(zhong)要的(de)多(duo)(duo)孔(kong)材(cai)料(liao)。活(huo)性炭的(de)主要用途(tu)是(shi)吸附氣相或液相中(zhong)的(de)污染物(wu)(wu)，儲存氣體 并用作催化(hua)劑載體。活(huo)性炭等多(duo)(duo)孔(kong)材(cai)料(liao)通(tong)常有幾個物(wu)(wu)理參數，如表(biao)面積(ji)和孔(kong)隙體積(ji)。在這些(xie)材(cai)料(liao)的(de)開發中(zhong)，滿足這些(xie)物(wu)(wu)理性能是(shi)非(fei)常重(zhong)要的(de)，因為它(ta)們將直接影響材(cai)料(liao)在其應用中(zhong)的(de)性能。

　　通常使用活性炭的(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)積BET液(ye)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)溫度(77)K)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)氣在(zai)不同壓力(li)下(xia)吸附(fu)(fu)。然后根(gen)據(ju)BET表(biao)面(mian)(mian)積由氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)分子的(de)(de)橫截(jie)面(mian)(mian)積、阿伏(fu)加德羅數(shu)和(he)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)(de)特定(ding)單層容量(liang)(liang)的(de)(de)乘積決(jue)定(ding)，由氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)分子的(de)(de)橫截(jie)面(mian)(mian)積決(jue)定(ding)BET進(jin)(jin)一步修改提(ti)出的(de)(de)等(deng)式。氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)吸附(fu)(fu)等(deng)溫線數(shu)據(ju)也用于(yu)測量(liang)(liang)孔體(ti)積。總孔體(ti)積根(gen)據(ju)*高(gao)相對壓力(li)下(xia)吸附(fu)(fu)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)量(liang)(liang)進(jin)(jin)行估計，并使(shi)用Dubinin-Radushkevich微(wei)孔體(ti)積從氮(dan)(dan)(dan)(dan)(dan)吸附(fu)(fu)等(deng)溫線計算。雖然這(zhe)些(xie)方法在(zai)多孔材料的(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)積和(he)孔體(ti)積測定(ding)中被更多地用作參(can)考，但這(zhe)些(xie)方法耗時且昂(ang)貴。

　　通(tong)過亞甲(jia)基藍(lan)、碘(dian)等不同吸附(fu)物的(de)(de)吸附(fu)特性(xing)(xing)，可以獲得更多關于活(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)(tan)結(jie)構(gou)的(de)(de)信息。這(zhe)些(xie)(xie)分(fen)子(zi)的(de)(de)吸附(fu)料吸附(fu)能力(li)的(de)(de)信息，這(zhe)些(xie)(xie)分(fen)子(zi)的(de)(de)吸附(fu)實驗很容(rong)易和(he)習慣性(xing)(xing)地表示(shi)活(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)(tan)。根據亞甲(jia)基藍(lan)分(fen)子(zi)的(de)(de)大小(xiao)，它主要吸附(fu)在(zai)中(zhong)孔(kong)中(zhong)，但在(zai)較大的(de)(de)微孔(kong)中(zhong)也發(fa)現了一小(xiao)部分(fen)。至于亞甲(jia)藍(lan)，碘(dian)分(fen)子(zi)尺(chi)寸(cun)較差，可以滲透到(dao)微孔(kong)中(zhong)。這(zhe)些(xie)(xie)特征(zheng)賦(fu)予了這(zhe)些(xie)(xie)分(fen)子(zi)在(zai)活(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)(tan)物理結(jie)構(gou)研究中(zhong)探針的(de)(de)潛(qian)力(li)。盡管(guan)如此，亞甲(jia)基藍(lan)與碘(dian)值的(de)(de)定量關系和(he)活(huo)(huo)性(xing)(xing)炭(tan)(tan)的(de)(de)結(jie)構(gou)特性(xing)(xing)還沒(mei)有詳細(xi)研究。

　　本文(wen)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)是證明活(huo)性炭(tan)的(de)(de)(de)表面(mian)積，微孔(kong)體積和(he)總孔(kong)體積可以通(tong)過碘和(he)亞甲(jia)基藍的(de)(de)(de)數值進行多元化(hua)回歸(gui)來(lai)估算。該方法是考慮從(cong)不同的(de)(de)(de)前系統中(zhong)提取(qu)的(de)(de)(de)活(huo)性炭(tan)樣(yang)品和(he)從(cong)文(wen)獻中(zhong)提取(qu)的(de)(de)(de)數據(ju)。

　　測試實驗開始：

　　活性炭樣品

　　方法開發了(le)多(duo)種活性(xing)炭樣品的(de)表面積(ji)、微孔(kong)體積(ji)、總孔(kong)體積(ji)、碘值和亞甲藍數量。

　　亞(ya)甲基藍(lan)(MBN)

　　亞甲藍數定義為1.0g吸附劑上(shang)吸附的(de)染料(liao)*多。10..0毫(hao)(hao)克活(huo)性炭(tan)被置(zhi)于與10.處理24小(xiao)時不(bu)同濃度(du)(10、25、50、100、250、500、1000毫(hao)(hao)克L亞甲藍溶液-1)，室溫下(xia)(約25℃)。使用UV / Vis分(fen)光光度(du)計(Biosystems SP-2000)在(zai)645nm分(fen)析亞甲基藍的(de)剩余濃度(du)。

　　亞甲(jia)基藍(lan)液吸附的亞甲(jia)基藍(lan)量由式1計算：

　　其中C 0 (mg L -1)是(shi)開始時間(t = 0)亞甲基藍溶(rong)液(ye)的濃(nong)度(du)，C e(mg L -1)平衡亞甲藍溶(rong)液(ye)的濃(nong)度(du)，V(L)處理(li)溶(rong)液(ye)體(ti)積，M(g)是(shi)吸附劑的質量(liang)。

　　為了確(que)定Langmuir模(mo)型的亞甲(jia)基藍數，使用C e的函(han)數作出(chu)q eq曲線。Langmuir參數(q max 和K L)通(tong)過*小二(er)乘擬合回歸(gui)找(zhao)到(dao)。

　　碘值(IN)

　　碘(dian)值(zhi)根據ASTM D4607-94方(fang)法(fa)測定(ding)。碘(dian)值(zhi)定(ding)義為(wei)0.02N(0.02mol L -1)時(shi)(shi)，被1.0g碘(dian)的毫克數(shu)被碳(tan)吸附。該方(fang)法(fa)基(ji)于三(san)點等(deng)溫(wen)(wen)線。標準碘(dian)溶(rong)(rong)液在特(te)定(ding)條(tiao)件(jian)下用(yong)三(san)種不(bu)同重(zhong)量的活(huo)性炭處(chu)理。實(shi)驗(yan)包括用(yong)10.0mL的5%HCl處(chu)理活(huo)性炭樣品。將(jiang)(jiang)混合物煮30秒，然后(hou)冷卻。不(bu)久之后(hou)，將(jiang)(jiang)是(shi)100.0mL的0.1N(0.1mol L -1)將(jiang)(jiang)碘(dian)溶(rong)(rong)液加入混合物中(zhong)，攪拌30秒。過(guo)濾所(suo)得溶(rong)(rong)液50.0毫升濾液滴定(ding)用(yong)0.1N(0.硫代(dai)硫酸(suan)鈉(na)，1摩爾大號(hao)-1)，以淀粉為(wei)指示劑。每克碳(tan)吸附的碘(dian)量(X / M)相對濾液(C)用(yong)對數(shu)軸(zhou)繪制中(zhong)碘(dian)濃度。若殘留碘(dian)濃度(C)不(bu)在0.008-0.04 N(0.008-0.04 mol L -在1)范圍內(nei)，每個(ge)(ge)等(deng)溫(wen)(wen)點應使用(yong)不(bu)同的碳(tan)質(zhi)重(zhong)復整個(ge)(ge)過(guo)程。*小二乘擬(ni)合回歸這三(san)點應用(yong)。碘(dian)值(zhi)為(wei)殘留濃度(C)為(wei)0.02N(0.02mol L -1)時(shi)(shi)的 X / M值(zhi)。所(suo)述X / M和(he)C ^ 等(deng)式2和(he)3分別計算值(zhi)。

　　其(qi)中(zhong)N I 是碘溶(rong)液(ye)的(de)當量(liang)濃(nong)度，V I碘溶(rong)液(ye)的(de)添加量(liang)，V HCl是5%HCl加入體積(ji)，V F 是滴定中(zhong)使用的(de)濾液(ye)體積(ji)，N Na 2 S 2O 3 鈉(na)硫(liu)(liu)代(dai)硫(liu)(liu)酸(suan)鈉(na)溶(rong)液(ye)正常，V Na 2 S 2 O 3 是硫(liu)(liu)代(dai)硫(liu)(liu)酸(suan)鈉(na)溶(rong)液(ye)的(de)消耗(hao)量(liang)，M C 是活性(xing)炭的(de)質量(liang)。

　　比表面積

　　在(zai)77K氮(dan)吸附(fu)試(shi)驗用(yong)儀器(qi)確定(ding)試(shi)樣(yang)的比表(biao)面(mian)積(ji)。吸附(fu)測量前，樣(yang)品(pin)(pin)為180℃過夜(ye)放氣BET模型擬(ni)合氮(dan)吸附(fu)等溫(wen)線，評估樣(yang)品(pin)(pin)的比表(biao)面(mian)積(ji)。

　　孔體積

　　氮(dan)(dan)吸附(fu)(fu)等溫線數(shu)據被(bei)用于(yu)估計測(ce)試樣品(pin)的孔體積(ji)。總孔體積(ji)由相對壓力為0.估計98氮(dan)(dan)吸附(fu)(fu)量(liang)。Dubinin-Radushkevich微孔體積(ji)從氮(dan)(dan)吸附(fu)(fu)等溫線計算。

　　多元回歸

　　KS該(gai)算(suan)法(fa)用于分(fen)離校準組和(he)測(ce)試組中(zhong)的樣(yang)(yang)品。根據歐幾里德幾里德距(ju)離選擇樣(yang)(yang)本(ben)(ben)。前兩個樣(yang)(yang)本(ben)(ben)相距(ju)*遠(yuan)。以(yi)下樣(yang)(yang)本(ben)(ben)是通(tong)過(guo)與之(zhi)前選擇的樣(yang)(yang)本(ben)(ben)的距(ju)離來選擇的。校準組中(zhong)不同樣(yang)(yang)品量的校準。選擇校準中(zhong)使用的樣(yang)(yang)本(ben)(ben)數量來生成顯(xian)示測(ce)試組樣(yang)(yang)本(ben)(ben)的*小誤差模型(xing)。校準模型(xing)采(cai)用*小二(er)乘擬(ni)合，表(biao)面(mian)積由亞甲(jia)基藍和(he)碘值確定，總孔體積和(he)微(wei)孔體積估計(ji)。Matlab用于計(ji)算(suan)程序的軟件(jian)。

　　結果分析：

　　*初建(jian)立表面圖，檢查(cha)活性炭樣品的(de)表面積(ji)、總孔體積(ji)和微孔體積(ji)與亞甲藍和碘值之間的(de)關系。使(shi)用實驗部分引用的(de)樣品的(de)數(shu)據構(gou)建(jian)圖(圖1S，補充(chong)材(cai)料)。

　　在所有(you)情況下，亞(ya)甲基藍和(he)碘的(de)(de)數量隨著(zhu)表面積(ji)(ji)和(he)孔體(ti)積(ji)(ji)的(de)(de)比例而增加，這(zhe)(zhe)表明它(ta)們(men)是測(ce)量這(zhe)(zhe)些(xie)性質的(de)(de)有(you)趣探針(zhen)。事實上，亞(ya)甲基藍分(fen)子的(de)(de)面積(ji)(ji)為15.08納米(mi)2，只能進(jin)入(ru)大(da)微孔和(he)中孔。5碘分(fen)子面積(ji)(ji)小15 為0.4nm 并且可以(yi)進(jin)入(ru)較小的(de)(de)微孔。

　　表面積建模

　　使(shi)用(yong)二次模型來描述與表面積(ji)相比的(de)亞甲基藍和碘的(de)數量。對于模型開(kai)發(fa)，Kennard-Stone從(cong)105個樣(yang)本(ben)(ben)中選(xuan)擇27個樣(yang)本(ben)(ben)進行校準。樣(yang)品表面積(ji)從(cong)199到(dao)2105 m 2 g -1不等。亞甲基藍的(de)數量在0到(dao)501毫克(ke)之間，碘值(zhi)從(cong)155到(dao)1670毫克(ke)之間。建模后獲得的(de)表面擬合(圖1)由(you)公式4描述。

　　考慮到我們獲得(de)的(de)文獻和數(shu)據(ju)中的(de)數(shu)據(ju)，通過該(gai)方程的(de)表面(mian)積預測測試(shi)(shi)了78個(ge)測試(shi)(shi)樣(yang)品。圖2顯示了等(deng)式4預測的(de)值和實(shi)驗BET值之間的(de)比(bi)較(jiao)。

　　觀(guan)察(cha)值之間(jian)的(de)良(liang)好相關性表明(ming)該模型(xing)具有(you)良(liang)好的(de)預(yu)測能力(li)。測試(shi)樣品中觀(guan)察(cha)到的(de)平(ping)均絕對誤差為77.8米2 克-1的(de)平(ping)均相對誤差為11.8%。表1給出了模型(xing)的(de)統計(ji)參數。

　　據報道，碘值(zhi)(zhi)可通過每次吸附1mg碘的(de)表(biao)面(mian)積(ji)(ji)(ji)1m 為活(huo)性炭(tan)表(biao)面(mian)積(ji)(ji)(ji)提供關系。這一考慮是在(zai)本工(gong)作(zuo)中使用(yong)的(de)數(shu)據完成的(de)，但誤(wu)差(cha)明顯高于(yu)使用(yong)等(deng)式4估(gu)計(ji)表(biao)面(mian)積(ji)(ji)(ji)時觀察到(dao)的(de)誤(wu)差(cha)。*小二乘法(fa)擬合只能(neng)考慮碘值(zhi)(zhi)，但誤(wu)差(cha)仍高于(yu)使用(yong)公(gong)式4時得到(dao)的(de)誤(wu)差(cha)。因此，碘值(zhi)(zhi)和亞甲基藍(lan)值(zhi)(zhi)對于(yu)估(gu)計(ji)活(huo)性炭(tan)的(de)表(biao)面(mian)積(ji)(ji)(ji)很重要，因為這些材料有(you)不同的(de)孔徑，可以根據孔隙幾何結構由不同的(de)分子(zi)獲得。

　　微孔體積建模

　　微孔體積也(ye)用二次(ci)模(mo)型描(miao)(miao)述為亞(ya)甲(jia)藍和碘值的(de)函數。該模(mo)型是在(zai)共(gong)50個(ge)樣(yang)本的(de)幫助(zhu)下建(jian)立起來的(de)，其中包括KS校準選擇(ze)了14個(ge)樣(yang)本。校準范圍為0.05至0.99cm 3 g -1.亞(ya)甲(jia)藍號(hao)-1和碘號(hao)從2到427毫克從195到1670毫克-1變化(hua)。建(jian)模(mo)導致表面擬合(he)(圖(tu)3)，由公(gong)式5描(miao)(miao)述:

　　該方程適用于(yu)微孔體積(ji)預測(ce)(ce)，評估(gu)包含文獻中的(de)(de)數據和我(wo)們獲得的(de)(de)數據的(de)(de)測(ce)(ce)試(shi)樣本。共測(ce)(ce)試(shi)了36個樣本。圖形(xing)比較(jiao)（圖4）表明該模型具(ju)有良(liang)好的(de)(de)預測(ce)(ce)能力(li)。測(ce)(ce)試(shi)樣品(pin)組的(de)(de)平均(jun)絕對誤差為0.05cm 3 g -1.平均(jun)相對誤差為16.4%。表2給(gei)出了模型的(de)(de)統計參(can)數。

　　由于微孔(kong)的(de)尺(chi)寸優先(xian)考(kao)慮(lv)碘分(fen)子，碘值也(ye)直接通過*小(xiao)二乘回(hui)歸與微孔(kong)體(ti)積相關。然而，誤差高于考(kao)慮(lv)亞甲藍和碘值時的(de)誤差。這表(biao)明亞甲藍對微孔(kong)體(ti)積預測有一定的(de)貢獻，可能是由于大微孔(kong)的(de)吸(xi)附(fu)。

　　總孔體積建模

　　亞甲藍(lan)與碘(dian)值與總孔容之間的關系(xi)是通(tong)過線性模型建立的。Kennard-Stone從39中選擇的10個樣本對(dui)表面進行(xing)建模(圖5)。

　　校準范圍(wei)被認(ren)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(jia)基藍數(shu)字-1。公式6描(miao)述(shu)了(le)該(gai)模型：

　　將29個樣品的(de)(de)(de)測(ce)試組(zu)應用于測(ce)試總孔體積預(yu)測(ce)的(de)(de)(de)方(fang)程。預(yu)測(ce)值(zhi)與參(can)考值(zhi)的(de)(de)(de)一致(zhi)性良(liang)好。.04cm 3 g -平(ping)(ping)均(jun)絕對(dui)誤(wu)差(cha)和13.4%的(de)(de)(de)平(ping)(ping)均(jun)相對(dui)誤(wu)差(cha)。表3給出(chu)了模型的(de)(de)(de)統(tong)計參(can)數。

　　在本文中(zhong)(zhong)，我們展示(shi)了如何利用(yong)碘(dian)值(zhi)和(he)(he)亞甲(jia)(jia)藍(lan)數來估計活性炭樣品(pin)的表面積(ji)、微孔體積(ji)和(he)(he)總孔體積(ji)。用(yong)于(yu)測定碘(dian)和(he)(he)亞甲(jia)(jia)藍(lan)數量的程序相對(dui)便宜和(he)(he)簡單，并且不(bu)(bu)需(xu)要(yao)使用(yong)復雜的設(she)備。此外，開發的方法允許從亞甲(jia)(jia)基藍(lan)和(he)(he)碘(dian)吸附研究中(zhong)(zhong)提取(qu)比通常使用(yong)這種材料更多(duo)的信(xin)息。雖然這種方法不(bu)(bu)能(neng)取(qu)代活性炭的適當(dang)紋(wen)理特性，但對(dui)于(yu)沒有(you)氣體吸附實驗設(she)備的實驗室來說(shuo)，非(fei)常有(you)價值(zhi)的。