估算活(huo)性(xing)炭表面積和孔體積

　　活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭是各(ge)種工藝中非常重(zhong)要的多孔材(cai)料(liao)。活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭的主(zhu)要用途(tu)是吸(xi)附氣(qi)相或液相中的污染物(wu)(wu)(wu)，儲存氣(qi)體 并用作催化(hua)劑載體。活(huo)性(xing)(xing)(xing)炭等多孔材(cai)料(liao)通常有幾個物(wu)(wu)(wu)理參(can)數，如表面積和(he)孔隙體積。在這(zhe)(zhe)些(xie)材(cai)料(liao)的開(kai)發中，滿足(zu)這(zhe)(zhe)些(xie)物(wu)(wu)(wu)理性(xing)(xing)(xing)能是非常重(zhong)要的，因為它們(men)將直(zhi)接影響材(cai)料(liao)在其(qi)應用中的性(xing)(xing)(xing)能。

　　通常使用活性炭的(de)(de)表面(mian)積(ji)(ji)(ji)(ji)BET液氮(dan)(dan)溫(wen)度(77)K)氮(dan)(dan)氣在(zai)不同壓(ya)力下(xia)吸(xi)附(fu)。然(ran)后根(gen)據(ju)BET表面(mian)積(ji)(ji)(ji)(ji)由氮(dan)(dan)分(fen)子(zi)的(de)(de)橫截(jie)(jie)面(mian)積(ji)(ji)(ji)(ji)、阿伏(fu)加(jia)德羅數和氮(dan)(dan)的(de)(de)特定單層(ceng)容(rong)量的(de)(de)乘(cheng)積(ji)(ji)(ji)(ji)決定，由氮(dan)(dan)分(fen)子(zi)的(de)(de)橫截(jie)(jie)面(mian)積(ji)(ji)(ji)(ji)決定BET進一(yi)步(bu)修改提出的(de)(de)等式。氮(dan)(dan)吸(xi)附(fu)等溫(wen)線數據(ju)也用于測量孔(kong)體積(ji)(ji)(ji)(ji)。總孔(kong)體積(ji)(ji)(ji)(ji)根(gen)據(ju)*高相對壓(ya)力下(xia)吸(xi)附(fu)的(de)(de)氮(dan)(dan)量進行(xing)估計，并使用Dubinin-Radushkevich微孔(kong)體積(ji)(ji)(ji)(ji)從(cong)氮(dan)(dan)吸(xi)附(fu)等溫(wen)線計算。雖然(ran)這些(xie)方法(fa)在(zai)多(duo)孔(kong)材(cai)料的(de)(de)表面(mian)積(ji)(ji)(ji)(ji)和孔(kong)體積(ji)(ji)(ji)(ji)測定中被(bei)更多(duo)地用作(zuo)參考(kao)，但這些(xie)方法(fa)耗時且(qie)昂貴。

　　通過亞(ya)甲基藍(lan)、碘等不同吸附(fu)(fu)物的(de)(de)(de)吸附(fu)(fu)特性(xing)(xing)，可以獲(huo)得更(geng)多關于活性(xing)(xing)炭結構(gou)的(de)(de)(de)信息(xi)。這些(xie)(xie)分(fen)子的(de)(de)(de)吸附(fu)(fu)料(liao)吸附(fu)(fu)能(neng)力的(de)(de)(de)信息(xi)，這些(xie)(xie)分(fen)子的(de)(de)(de)吸附(fu)(fu)實驗很容易和習慣性(xing)(xing)地表示活性(xing)(xing)炭。根據亞(ya)甲基藍(lan)分(fen)子的(de)(de)(de)大(da)小，它主(zhu)要吸附(fu)(fu)在(zai)中(zhong)孔(kong)中(zhong)，但在(zai)較(jiao)(jiao)大(da)的(de)(de)(de)微孔(kong)中(zhong)也發現了一(yi)小部分(fen)。至(zhi)于亞(ya)甲藍(lan)，碘分(fen)子尺寸較(jiao)(jiao)差，可以滲透(tou)到微孔(kong)中(zhong)。這些(xie)(xie)特征賦予了這些(xie)(xie)分(fen)子在(zai)活性(xing)(xing)炭物理結構(gou)研究(jiu)中(zhong)探針的(de)(de)(de)潛力。盡管如此，亞(ya)甲基藍(lan)與(yu)碘值的(de)(de)(de)定量(liang)關系和活性(xing)(xing)炭的(de)(de)(de)結構(gou)特性(xing)(xing)還沒有詳細研究(jiu)。

　　本文的(de)目的(de)是證明活性(xing)(xing)炭的(de)表(biao)面(mian)積，微孔(kong)體積和總孔(kong)體積可(ke)以通過碘和亞甲基藍的(de)數值進(jin)行多元化回歸(gui)來估算。該(gai)方法是考慮從不(bu)同的(de)前系統中提(ti)取的(de)活性(xing)(xing)炭樣品和從文獻中提(ti)取的(de)數據(ju)。

　　測試實驗開始：

　　活性炭樣品

　　方法(fa)開(kai)發了(le)多種活性(xing)炭樣品的(de)表(biao)面積、微孔(kong)體積、總孔(kong)體積、碘值和亞(ya)甲(jia)藍數量。

　　亞(ya)甲基(ji)藍(MBN)

　　亞甲藍數定義為1.0g吸(xi)附劑上吸(xi)附的(de)染料*多(duo)。10..0毫克(ke)活性炭被(bei)置于(yu)與10.處理(li)24小時不同(tong)濃(nong)度(du)(du)(10、25、50、100、250、500、1000毫克(ke)L亞甲藍溶液-1)，室溫下(xia)(約25℃)。使用UV / Vis分光光度(du)(du)計(Biosystems SP-2000)在645nm分析亞甲基藍的(de)剩余濃(nong)度(du)(du)。

　　亞(ya)(ya)甲基藍(lan)液(ye)吸(xi)附的亞(ya)(ya)甲基藍(lan)量由式1計算：

　　其(qi)中C 0 (mg L -1)是開始(shi)時間(t = 0)亞(ya)甲基藍溶(rong)液(ye)(ye)的濃度(du)(du)，C e(mg L -1)平衡亞(ya)甲藍溶(rong)液(ye)(ye)的濃度(du)(du)，V(L)處理(li)溶(rong)液(ye)(ye)體積，M(g)是吸附(fu)劑的質(zhi)量。

　　為(wei)了(le)確定(ding)Langmuir模型(xing)的亞甲基藍數，使用(yong)C e的函數作出q eq曲線。Langmuir參數(q max 和K L)通(tong)過*小二(er)乘擬合回歸找到。

　　碘值(IN)

　　碘(dian)(dian)(dian)(dian)值根據ASTM D4607-94方法測定(ding)。碘(dian)(dian)(dian)(dian)值定(ding)義(yi)為0.02N(0.02mol L -1)時，被1.0g碘(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)(de)(de)毫克數被碳(tan)吸附。該方法基于三點等(deng)溫(wen)線。標準碘(dian)(dian)(dian)(dian)溶液(ye)在(zai)特定(ding)條件(jian)下(xia)用(yong)(yong)三種不(bu)同重量的(de)(de)(de)活性炭(tan)處理(li)(li)。實驗(yan)包括用(yong)(yong)10.0mL的(de)(de)(de)5%HCl處理(li)(li)活性炭(tan)樣品。將混合物煮30秒(miao)，然后冷卻。不(bu)久之(zhi)后，將是100.0mL的(de)(de)(de)0.1N(0.1mol L -1)將碘(dian)(dian)(dian)(dian)溶液(ye)加入混合物中(zhong)，攪拌30秒(miao)。過(guo)(guo)濾所(suo)得溶液(ye)50.0毫升濾液(ye)滴定(ding)用(yong)(yong)0.1N(0.硫代硫酸鈉，1摩爾大號-1)，以淀粉為指(zhi)示劑。每(mei)(mei)克碳(tan)吸附的(de)(de)(de)碘(dian)(dian)(dian)(dian)量(X / M)相對濾液(ye)(C)用(yong)(yong)對數軸(zhou)繪(hui)制中(zhong)碘(dian)(dian)(dian)(dian)濃(nong)度。若殘留碘(dian)(dian)(dian)(dian)濃(nong)度(C)不(bu)在(zai)0.008-0.04 N(0.008-0.04 mol L -在(zai)1)范圍(wei)內(nei)，每(mei)(mei)個等(deng)溫(wen)點應(ying)使(shi)用(yong)(yong)不(bu)同的(de)(de)(de)碳(tan)質重復(fu)整(zheng)個過(guo)(guo)程。*小二乘擬合回歸這三點應(ying)用(yong)(yong)。碘(dian)(dian)(dian)(dian)值為殘留濃(nong)度(C)為0.02N(0.02mol L -1)時的(de)(de)(de) X / M值。所(suo)述X / M和C ^ 等(deng)式(shi)2和3分別計算值。

　　其中N I 是(shi)(shi)碘溶(rong)(rong)液的當量(liang)(liang)濃(nong)度(du)，V I碘溶(rong)(rong)液的添(tian)加量(liang)(liang)，V HCl是(shi)(shi)5%HCl加入體(ti)積，V F 是(shi)(shi)滴定(ding)中使用的濾液體(ti)積，N Na 2 S 2O 3 鈉硫代硫酸(suan)(suan)鈉溶(rong)(rong)液正常，V Na 2 S 2 O 3 是(shi)(shi)硫代硫酸(suan)(suan)鈉溶(rong)(rong)液的消耗量(liang)(liang)，M C 是(shi)(shi)活性炭的質量(liang)(liang)。

　　比表面積

　　在(zai)77K氮吸附試驗用儀器確定試樣的(de)比(bi)表面積。吸附測(ce)量前(qian)，樣品為180℃過(guo)夜(ye)放氣(qi)BET模(mo)型擬(ni)合氮吸附等溫線，評估樣品的(de)比(bi)表面積。

　　孔體積

　　氮(dan)吸(xi)附等(deng)溫(wen)線(xian)數據被用于估(gu)計(ji)測(ce)試樣(yang)品的孔體積(ji)。總孔體積(ji)由相對壓力(li)為0.估(gu)計(ji)98氮(dan)吸(xi)附量。Dubinin-Radushkevich微孔體積(ji)從氮(dan)吸(xi)附等(deng)溫(wen)線(xian)計(ji)算(suan)。

　　多元回歸

　　KS該(gai)算(suan)法用于(yu)(yu)分(fen)離校(xiao)準(zhun)組(zu)(zu)和(he)測(ce)試組(zu)(zu)中(zhong)的(de)(de)(de)樣(yang)(yang)品。根據歐(ou)幾里德幾里德距離選(xuan)(xuan)擇(ze)樣(yang)(yang)本。前兩個(ge)樣(yang)(yang)本相距*遠。以下樣(yang)(yang)本是通過與之前選(xuan)(xuan)擇(ze)的(de)(de)(de)樣(yang)(yang)本的(de)(de)(de)距離來選(xuan)(xuan)擇(ze)的(de)(de)(de)。校(xiao)準(zhun)組(zu)(zu)中(zhong)不同(tong)樣(yang)(yang)品量的(de)(de)(de)校(xiao)準(zhun)。選(xuan)(xuan)擇(ze)校(xiao)準(zhun)中(zhong)使(shi)用的(de)(de)(de)樣(yang)(yang)本數量來生成顯示測(ce)試組(zu)(zu)樣(yang)(yang)本的(de)(de)(de)*小誤差(cha)模(mo)型。校(xiao)準(zhun)模(mo)型采用*小二(er)乘擬合，表面(mian)積(ji)由亞甲基藍和(he)碘值確定(ding)，總孔體積(ji)和(he)微孔體積(ji)估計(ji)。Matlab用于(yu)(yu)計(ji)算(suan)程序的(de)(de)(de)軟件。

　　結果分析：

　　*初建立表面圖(tu)，檢查(cha)活性(xing)炭樣(yang)品(pin)的(de)(de)表面積(ji)(ji)、總孔體積(ji)(ji)和微孔體積(ji)(ji)與(yu)亞甲藍和碘值(zhi)之間的(de)(de)關系。使(shi)用實驗部分引(yin)用的(de)(de)樣(yang)品(pin)的(de)(de)數據(ju)構(gou)建圖(tu)(圖(tu)1S，補(bu)充材(cai)料)。

　　在所有(you)(you)情況下(xia)，亞甲基藍和碘的(de)(de)數量(liang)隨著(zhu)表(biao)面(mian)積(ji)(ji)和孔(kong)體積(ji)(ji)的(de)(de)比例(li)而(er)增加，這表(biao)明它們是測量(liang)這些(xie)性(xing)質的(de)(de)有(you)(you)趣探(tan)針。事實上，亞甲基藍分子(zi)的(de)(de)面(mian)積(ji)(ji)為(wei)15.08納米2，只能(neng)進(jin)入大微(wei)孔(kong)和中孔(kong)。5碘分子(zi)面(mian)積(ji)(ji)小15 為(wei)0.4nm 并且可(ke)以進(jin)入較小的(de)(de)微(wei)孔(kong)。

　　表面積建模

　　使用二次(ci)模型(xing)(xing)來描(miao)(miao)述(shu)與表(biao)面積相比的亞(ya)甲基藍和碘的數量。對于(yu)模型(xing)(xing)開(kai)發，Kennard-Stone從105個(ge)樣本(ben)中選(xuan)擇27個(ge)樣本(ben)進行校(xiao)準。樣品表(biao)面積從199到2105 m 2 g -1不(bu)等。亞(ya)甲基藍的數量在0到501毫(hao)克(ke)之間(jian)，碘值(zhi)從155到1670毫(hao)克(ke)之間(jian)。建模后(hou)獲得的表(biao)面擬合(圖1)由公式4描(miao)(miao)述(shu)。

　　考慮到我們獲得的(de)文獻和(he)數據(ju)中的(de)數據(ju)，通過該方程的(de)表面積預測測試了78個測試樣品。圖2顯示了等式4預測的(de)值(zhi)和(he)實驗BET值(zhi)之間的(de)比較。

　　觀察值之間的(de)良好(hao)相關(guan)性(xing)表(biao)明(ming)該模(mo)型具(ju)有良好(hao)的(de)預測(ce)能力。測(ce)試樣品中觀察到的(de)平(ping)(ping)均(jun)絕(jue)對(dui)誤差為77.8米2 克-1的(de)平(ping)(ping)均(jun)相對(dui)誤差為11.8%。表(biao)1給出了(le)模(mo)型的(de)統計(ji)參數。

　　據(ju)報(bao)道，碘值(zhi)可通(tong)過每(mei)次吸附1mg碘的(de)表面積(ji)1m 為(wei)活性(xing)炭表面積(ji)提(ti)供關系。這一考慮(lv)是在本工作(zuo)中使用的(de)數(shu)據(ju)完(wan)成(cheng)的(de)，但(dan)誤差明顯(xian)高于(yu)(yu)使用等(deng)式4估計表面積(ji)時觀察(cha)到的(de)誤差。*小(xiao)二乘法擬合只(zhi)能考慮(lv)碘值(zhi)，但(dan)誤差仍高于(yu)(yu)使用公式4時得到的(de)誤差。因(yin)(yin)此，碘值(zhi)和亞(ya)甲基藍值(zhi)對(dui)于(yu)(yu)估計活性(xing)炭的(de)表面積(ji)很重要，因(yin)(yin)為(wei)這些(xie)材料有不(bu)同的(de)孔(kong)徑，可以根(gen)據(ju)孔(kong)隙幾何結構由不(bu)同的(de)分子(zi)獲得。

　　微孔體積建模

　　微孔體積也用二次模(mo)型(xing)描述為亞甲藍和(he)碘值(zhi)的函(han)數。該模(mo)型(xing)是在共50個(ge)樣本(ben)的幫(bang)助下建(jian)(jian)立起來的，其中包括KS校(xiao)(xiao)準選(xuan)擇(ze)了14個(ge)樣本(ben)。校(xiao)(xiao)準范圍為0.05至0.99cm 3 g -1.亞甲藍號-1和(he)碘號從(cong)2到427毫克(ke)從(cong)195到1670毫克(ke)-1變(bian)化。建(jian)(jian)模(mo)導(dao)致(zhi)表(biao)面擬合(he)(圖3)，由公式5描述:

　　該方程適用(yong)于微(wei)孔體積(ji)預(yu)測(ce)，評估包含文獻(xian)中(zhong)的數據和我們獲得(de)的數據的測(ce)試(shi)(shi)(shi)樣(yang)本。共測(ce)試(shi)(shi)(shi)了36個(ge)樣(yang)本。圖(tu)形比(bi)較（圖(tu)4）表明該模(mo)型具有良好的預(yu)測(ce)能力。測(ce)試(shi)(shi)(shi)樣(yang)品組的平均(jun)絕對誤差(cha)為0.05cm 3 g -1.平均(jun)相對誤差(cha)為16.4%。表2給出了模(mo)型的統計(ji)參數。

　　由于(yu)(yu)微(wei)孔(kong)的尺寸優(you)先(xian)考(kao)慮碘(dian)(dian)分(fen)子，碘(dian)(dian)值(zhi)也(ye)直(zhi)接通(tong)過*小(xiao)二(er)乘回(hui)歸(gui)與(yu)微(wei)孔(kong)體積相關。然而，誤差高于(yu)(yu)考(kao)慮亞甲藍和碘(dian)(dian)值(zhi)時的誤差。這表明亞甲藍對(dui)微(wei)孔(kong)體積預(yu)測(ce)有一定的貢獻，可能是(shi)由于(yu)(yu)大微(wei)孔(kong)的吸附。

　　總孔體積建模

　　亞甲藍(lan)與碘值與總孔容之(zhi)間(jian)的(de)關系(xi)是(shi)通過線性模(mo)型建(jian)立的(de)。Kennard-Stone從39中選(xuan)擇的(de)10個樣(yang)本(ben)對(dui)表面進行建(jian)模(mo)(圖5)。

　　校準范圍被認為(wei)是0.09到(dao)1.11 cm 3 g -1.碘號(hao)從195到(dao)1294毫克-1和(he)2到(dao)427毫克變化的亞(ya)甲基(ji)藍(lan)數字(zi)-1。公(gong)式6描述了該模型：

　　將(jiang)29個樣品的(de)測(ce)試組應用(yong)于測(ce)試總孔體(ti)積(ji)預測(ce)的(de)方程。預測(ce)值與(yu)參考值的(de)一致性良(liang)好。.04cm 3 g -平均絕對誤(wu)差和13.4%的(de)平均相(xiang)對誤(wu)差。表3給(gei)出(chu)了(le)模型的(de)統(tong)計參數(shu)。

　　在(zai)本(ben)文中，我(wo)們展示了如何利用(yong)碘值和亞(ya)(ya)甲(jia)藍(lan)數來(lai)估計活性炭樣(yang)品(pin)的(de)(de)表面積、微孔(kong)體積和總孔(kong)體積。用(yong)于(yu)測(ce)定碘和亞(ya)(ya)甲(jia)藍(lan)數量的(de)(de)程序相對便(bian)宜和簡單，并(bing)且不(bu)需要使用(yong)復(fu)雜(za)的(de)(de)設備。此外，開(kai)發(fa)的(de)(de)方法允許從亞(ya)(ya)甲(jia)基藍(lan)和碘吸附研究(jiu)中提取(qu)比通常使用(yong)這種材料更(geng)多的(de)(de)信息。雖然這種方法不(bu)能取(qu)代活性炭的(de)(de)適(shi)當紋理特性，但(dan)對于(yu)沒(mei)有氣體吸附實(shi)驗設備的(de)(de)實(shi)驗室來(lai)說，非常有價值的(de)(de)。