估算活性(xing)炭表(biao)面積和孔體(ti)積

　　活(huo)性(xing)炭是(shi)(shi)各種工藝中非常重(zhong)要的多孔材(cai)(cai)料。活(huo)性(xing)炭的主要用(yong)(yong)途是(shi)(shi)吸(xi)附氣相或液相中的污染物(wu)，儲存(cun)氣體(ti) 并用(yong)(yong)作催化(hua)劑載體(ti)。活(huo)性(xing)炭等多孔材(cai)(cai)料通常有幾個(ge)物(wu)理參數，如表面積和孔隙體(ti)積。在這些材(cai)(cai)料的開發中，滿(man)足(zu)這些物(wu)理性(xing)能是(shi)(shi)非常重(zhong)要的，因為它們(men)將直接影響(xiang)材(cai)(cai)料在其應(ying)用(yong)(yong)中的性(xing)能。

　　通常使用活性炭的(de)(de)(de)表面(mian)(mian)(mian)積(ji)(ji)BET液氮(dan)溫度(du)(77)K)氮(dan)氣在不同壓力下吸附(fu)(fu)。然后根據BET表面(mian)(mian)(mian)積(ji)(ji)由氮(dan)分子的(de)(de)(de)橫截(jie)面(mian)(mian)(mian)積(ji)(ji)、阿伏(fu)加德(de)羅數和(he)氮(dan)的(de)(de)(de)特定(ding)單層容(rong)量(liang)的(de)(de)(de)乘積(ji)(ji)決定(ding)，由氮(dan)分子的(de)(de)(de)橫截(jie)面(mian)(mian)(mian)積(ji)(ji)決定(ding)BET進一步修改提出(chu)的(de)(de)(de)等(deng)式(shi)。氮(dan)吸附(fu)(fu)等(deng)溫線(xian)數據也(ye)用于測量(liang)孔(kong)(kong)體(ti)(ti)積(ji)(ji)。總孔(kong)(kong)體(ti)(ti)積(ji)(ji)根據*高相對壓力下吸附(fu)(fu)的(de)(de)(de)氮(dan)量(liang)進行估計，并使用Dubinin-Radushkevich微孔(kong)(kong)體(ti)(ti)積(ji)(ji)從氮(dan)吸附(fu)(fu)等(deng)溫線(xian)計算(suan)。雖然這(zhe)些(xie)方法(fa)在多(duo)孔(kong)(kong)材料的(de)(de)(de)表面(mian)(mian)(mian)積(ji)(ji)和(he)孔(kong)(kong)體(ti)(ti)積(ji)(ji)測定(ding)中被更多(duo)地用作(zuo)參考，但這(zhe)些(xie)方法(fa)耗時(shi)且昂貴。

　　通過(guo)亞(ya)甲(jia)基(ji)藍、碘等不同吸(xi)(xi)附(fu)(fu)物(wu)的(de)吸(xi)(xi)附(fu)(fu)特(te)性(xing)，可以獲得更多(duo)關于活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)(tan)結構的(de)信息。這(zhe)些(xie)(xie)(xie)分(fen)子(zi)的(de)吸(xi)(xi)附(fu)(fu)料吸(xi)(xi)附(fu)(fu)能力(li)的(de)信息，這(zhe)些(xie)(xie)(xie)分(fen)子(zi)的(de)吸(xi)(xi)附(fu)(fu)實驗(yan)很容易和習(xi)慣性(xing)地(di)表示活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)(tan)。根據亞(ya)甲(jia)基(ji)藍分(fen)子(zi)的(de)大小，它主要吸(xi)(xi)附(fu)(fu)在中(zhong)(zhong)孔(kong)中(zhong)(zhong)，但在較大的(de)微孔(kong)中(zhong)(zhong)也發現(xian)了(le)一小部分(fen)。至于亞(ya)甲(jia)藍，碘分(fen)子(zi)尺(chi)寸較差，可以滲(shen)透(tou)到(dao)微孔(kong)中(zhong)(zhong)。這(zhe)些(xie)(xie)(xie)特(te)征賦(fu)予了(le)這(zhe)些(xie)(xie)(xie)分(fen)子(zi)在活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)(tan)物(wu)理結構研(yan)究中(zhong)(zhong)探(tan)針的(de)潛力(li)。盡管如此，亞(ya)甲(jia)基(ji)藍與碘值的(de)定量關系和活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)(tan)的(de)結構特(te)性(xing)還沒有詳細研(yan)究。

　　本文(wen)的(de)目的(de)是證(zheng)明活性炭的(de)表面積，微孔(kong)體積和總(zong)孔(kong)體積可以通(tong)過碘和亞甲基藍的(de)數值進(jin)行多元(yuan)化回歸來估算。該方法是考慮從不(bu)同的(de)前系統中提(ti)取(qu)的(de)活性炭樣品和從文(wen)獻中提(ti)取(qu)的(de)數據。

　　測試實驗開始：

　　活性炭樣品

　　方法開發了多種活性炭(tan)樣品(pin)的表面(mian)積(ji)、微孔(kong)體積(ji)、總孔(kong)體積(ji)、碘值和亞甲藍數量。

　　亞甲基藍(MBN)

　　亞(ya)甲(jia)藍(lan)數(shu)定義(yi)為1.0g吸附劑上吸附的(de)染料(liao)*多(duo)。10..0毫克活性(xing)炭被置于與10.處理(li)24小時(shi)不(bu)同濃度(10、25、50、100、250、500、1000毫克L亞(ya)甲(jia)藍(lan)溶液-1)，室(shi)溫下(約25℃)。使用UV / Vis分光光度計(Biosystems SP-2000)在(zai)645nm分析亞(ya)甲(jia)基(ji)藍(lan)的(de)剩余濃度。

　　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)是開始(shi)時間(jian)(t = 0)亞甲基(ji)藍溶液(ye)的(de)濃度(du)(du)，C e(mg L -1)平衡亞甲藍溶液(ye)的(de)濃度(du)(du)，V(L)處(chu)理溶液(ye)體(ti)積，M(g)是吸附劑的(de)質量。

　　為了(le)確(que)定(ding)Langmuir模(mo)型的(de)(de)亞甲基藍數，使用C e的(de)(de)函數作出q eq曲線。Langmuir參數(q max 和K L)通過*小二乘擬合回歸找到。

　　碘值(IN)

　　碘(dian)(dian)(dian)值(zhi)根(gen)據ASTM D4607-94方(fang)法測定(ding)(ding)。碘(dian)(dian)(dian)值(zhi)定(ding)(ding)義(yi)為(wei)0.02N(0.02mol L -1)時，被1.0g碘(dian)(dian)(dian)的毫(hao)(hao)克(ke)數(shu)被碳吸附。該方(fang)法基(ji)于(yu)三點等溫(wen)線。標準碘(dian)(dian)(dian)溶(rong)液(ye)在(zai)特定(ding)(ding)條件下用(yong)(yong)三種不(bu)同重(zhong)量(liang)的活(huo)性(xing)炭(tan)處(chu)理(li)。實(shi)驗包括用(yong)(yong)10.0mL的5%HCl處(chu)理(li)活(huo)性(xing)炭(tan)樣品。將(jiang)(jiang)混(hun)合物煮(zhu)30秒(miao)，然后(hou)冷卻。不(bu)久之后(hou)，將(jiang)(jiang)是100.0mL的0.1N(0.1mol L -1)將(jiang)(jiang)碘(dian)(dian)(dian)溶(rong)液(ye)加入混(hun)合物中，攪拌30秒(miao)。過濾(lv)所得溶(rong)液(ye)50.0毫(hao)(hao)升濾(lv)液(ye)滴(di)定(ding)(ding)用(yong)(yong)0.1N(0.硫(liu)代(dai)硫(liu)酸鈉，1摩爾大號-1)，以(yi)淀粉為(wei)指示劑(ji)。每克(ke)碳吸附的碘(dian)(dian)(dian)量(liang)(X / M)相對濾(lv)液(ye)(C)用(yong)(yong)對數(shu)軸繪制中碘(dian)(dian)(dian)濃度(du)。若殘留碘(dian)(dian)(dian)濃度(du)(C)不(bu)在(zai)0.008-0.04 N(0.008-0.04 mol L -在(zai)1)范圍內(nei)，每個等溫(wen)點應(ying)使用(yong)(yong)不(bu)同的碳質重(zhong)復整個過程。*小二乘擬合回歸這(zhe)三點應(ying)用(yong)(yong)。碘(dian)(dian)(dian)值(zhi)為(wei)殘留濃度(du)(C)為(wei)0.02N(0.02mol L -1)時的 X / M值(zhi)。所述X / M和(he)C ^ 等式2和(he)3分別計算值(zhi)。

　　其(qi)中N I 是(shi)碘(dian)溶(rong)(rong)液(ye)的當量(liang)濃度，V I碘(dian)溶(rong)(rong)液(ye)的添加量(liang)，V HCl是(shi)5%HCl加入體積(ji)，V F 是(shi)滴定中使用的濾液(ye)體積(ji)，N Na 2 S 2O 3 鈉硫代硫酸鈉溶(rong)(rong)液(ye)正常，V Na 2 S 2 O 3 是(shi)硫代硫酸鈉溶(rong)(rong)液(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(fu)試驗(yan)用儀器(qi)確定試樣的(de)比表(biao)面積(ji)。吸附(fu)測量前，樣品(pin)(pin)為180℃過夜放(fang)氣BET模型(xing)擬合氮(dan)吸附(fu)等溫線，評估(gu)樣品(pin)(pin)的(de)比表(biao)面積(ji)。

　　孔體積

　　氮吸附等溫線數據被用于估(gu)計(ji)測試樣品的孔(kong)體積。總孔(kong)體積由(you)相對(dui)壓力(li)為0.估(gu)計(ji)98氮吸附量。Dubinin-Radushkevich微孔(kong)體積從氮吸附等溫線計(ji)算。

　　多元回歸

　　KS該算法用于分離校(xiao)(xiao)準(zhun)組(zu)(zu)和(he)測試組(zu)(zu)中的(de)樣(yang)品。根據歐幾里德幾里德距(ju)離選(xuan)(xuan)擇樣(yang)本(ben)(ben)(ben)。前(qian)兩個樣(yang)本(ben)(ben)(ben)相距(ju)*遠。以(yi)下(xia)樣(yang)本(ben)(ben)(ben)是通過與之(zhi)前(qian)選(xuan)(xuan)擇的(de)樣(yang)本(ben)(ben)(ben)的(de)距(ju)離來選(xuan)(xuan)擇的(de)。校(xiao)(xiao)準(zhun)組(zu)(zu)中不同樣(yang)品量(liang)(liang)的(de)校(xiao)(xiao)準(zhun)。選(xuan)(xuan)擇校(xiao)(xiao)準(zhun)中使用的(de)樣(yang)本(ben)(ben)(ben)數量(liang)(liang)來生成顯示測試組(zu)(zu)樣(yang)本(ben)(ben)(ben)的(de)*小誤差模型。校(xiao)(xiao)準(zhun)模型采用*小二乘擬合，表面積(ji)由亞甲基藍和(he)碘值確定，總孔(kong)體積(ji)和(he)微孔(kong)體積(ji)估計(ji)。Matlab用于計(ji)算程序(xu)的(de)軟(ruan)件。

　　結果分析：

　　*初建立表面(mian)圖(tu)，檢查活性(xing)炭樣(yang)品(pin)(pin)的表面(mian)積(ji)、總(zong)孔體(ti)積(ji)和(he)微孔體(ti)積(ji)與亞甲藍(lan)和(he)碘值之間的關系。使用(yong)實驗(yan)部分(fen)引用(yong)的樣(yang)品(pin)(pin)的數據構建圖(tu)(圖(tu)1S，補(bu)充材料(liao))。

　　在所有(you)情況下，亞甲(jia)基(ji)(ji)藍和(he)碘的(de)數量隨著表(biao)(biao)面(mian)積和(he)孔(kong)體積的(de)比(bi)例而增加，這表(biao)(biao)明它們是測量這些性質的(de)有(you)趣探針。事實上，亞甲(jia)基(ji)(ji)藍分子的(de)面(mian)積為(wei)15.08納米(mi)2，只能進入大微(wei)(wei)孔(kong)和(he)中孔(kong)。5碘分子面(mian)積小15 為(wei)0.4nm 并(bing)且可以進入較(jiao)小的(de)微(wei)(wei)孔(kong)。

　　表面積建模

　　使用(yong)二次模(mo)型來(lai)描述(shu)與表面(mian)(mian)積(ji)相比的亞(ya)甲基藍和碘的數量。對于(yu)模(mo)型開發，Kennard-Stone從(cong)(cong)105個樣(yang)本中選擇27個樣(yang)本進行校準(zhun)。樣(yang)品表面(mian)(mian)積(ji)從(cong)(cong)199到(dao)(dao)2105 m 2 g -1不等。亞(ya)甲基藍的數量在0到(dao)(dao)501毫克之間，碘值從(cong)(cong)155到(dao)(dao)1670毫克之間。建模(mo)后獲得的表面(mian)(mian)擬(ni)合(圖1)由(you)公式4描述(shu)。

　　考慮到我們獲得的(de)(de)文獻和(he)數據(ju)中的(de)(de)數據(ju)，通過該方(fang)程的(de)(de)表面積預(yu)測測試了(le)(le)78個測試樣品。圖2顯(xian)示了(le)(le)等式4預(yu)測的(de)(de)值和(he)實驗BET值之(zhi)間的(de)(de)比較。

　　觀察(cha)值之間的(de)(de)良(liang)好(hao)相關性表(biao)明該模型(xing)具有良(liang)好(hao)的(de)(de)預測能力。測試樣品中觀察(cha)到的(de)(de)平均絕對誤差為77.8米2 克-1的(de)(de)平均相對誤差為11.8%。表(biao)1給出了模型(xing)的(de)(de)統計(ji)參數。

　　據(ju)報道，碘(dian)值(zhi)可通過每次吸附(fu)1mg碘(dian)的(de)表面積(ji)1m 為活(huo)性(xing)炭(tan)表面積(ji)提供關系。這一考(kao)慮(lv)是在本工作中(zhong)使用的(de)數據(ju)完成的(de)，但誤差(cha)明(ming)顯高于(yu)使用等式4估計表面積(ji)時觀(guan)察到的(de)誤差(cha)。*小(xiao)二乘法擬合只能考(kao)慮(lv)碘(dian)值(zhi)，但誤差(cha)仍高于(yu)使用公式4時得到的(de)誤差(cha)。因(yin)此，碘(dian)值(zhi)和亞甲(jia)基藍值(zhi)對于(yu)估計活(huo)性(xing)炭(tan)的(de)表面積(ji)很重(zhong)要，因(yin)為這些(xie)材料有不同的(de)孔(kong)徑，可以根據(ju)孔(kong)隙幾何(he)結構由不同的(de)分子獲得。

　　微孔體積建模

　　微孔體積也用二次(ci)模型(xing)描述(shu)為亞甲藍和碘值的(de)函數。該模型(xing)是在共50個(ge)樣本的(de)幫助下建(jian)立起來(lai)的(de)，其(qi)中包(bao)括KS校準選擇(ze)了14個(ge)樣本。校準范圍(wei)為0.05至0.99cm 3 g -1.亞甲藍號-1和碘號從2到(dao)427毫克從195到(dao)1670毫克-1變化。建(jian)模導致(zhi)表面擬合(圖3)，由(you)公式(shi)5描述(shu):

　　該(gai)方程適用(yong)于微孔體(ti)積預(yu)測(ce)，評估包含(han)文獻(xian)中的(de)(de)數(shu)據(ju)和我們獲(huo)得的(de)(de)數(shu)據(ju)的(de)(de)測(ce)試(shi)樣(yang)本(ben)。共測(ce)試(shi)了(le)36個樣(yang)本(ben)。圖形比較（圖4）表明該(gai)模型具有良(liang)好的(de)(de)預(yu)測(ce)能力。測(ce)試(shi)樣(yang)品(pin)組的(de)(de)平均絕對誤(wu)差為0.05cm 3 g -1.平均相對誤(wu)差為16.4%。表2給出了(le)模型的(de)(de)統計參數(shu)。

　　由(you)于微孔(kong)的(de)尺寸優先考(kao)慮碘分子，碘值也直接通過*小二乘回歸與微孔(kong)體積(ji)相關。然而，誤差高于考(kao)慮亞(ya)甲(jia)藍(lan)和(he)碘值時的(de)誤差。這表(biao)明(ming)亞(ya)甲(jia)藍(lan)對(dui)微孔(kong)體積(ji)預測有一定的(de)貢獻(xian)，可能是由(you)于大微孔(kong)的(de)吸附。

　　總孔體積建模

　　亞甲藍與碘值(zhi)與總孔容之間的(de)關(guan)系是通過(guo)線性(xing)模型建立的(de)。Kennard-Stone從39中選(xuan)擇的(de)10個樣本對表(biao)面進行建模(圖5)。

　　校(xiao)準范(fan)圍被認為是0.09到1.11 cm 3 g -1.碘號從195到1294毫(hao)克-1和(he)2到427毫(hao)克變化的(de)亞甲基藍數字-1。公式(shi)6描述了該模型：

　　將(jiang)29個樣品的(de)測(ce)(ce)試組應用于(yu)測(ce)(ce)試總孔體(ti)積預測(ce)(ce)的(de)方(fang)程(cheng)。預測(ce)(ce)值與參考值的(de)一致(zhi)性良好。.04cm 3 g -平(ping)均絕對誤(wu)差(cha)(cha)和13.4%的(de)平(ping)均相對誤(wu)差(cha)(cha)。表3給(gei)出了模(mo)型的(de)統計參數。

　　在(zai)本文中，我們展示了(le)如何利用碘(dian)值和亞甲藍(lan)(lan)數來估(gu)計(ji)活性炭(tan)樣品的(de)(de)表(biao)面積、微孔體積和總孔體積。用于測定碘(dian)和亞甲藍(lan)(lan)數量的(de)(de)程序相對便(bian)宜和簡單，并且不需要使用復雜(za)的(de)(de)設備。此外，開發的(de)(de)方法允許(xu)從亞甲基藍(lan)(lan)和碘(dian)吸附(fu)研(yan)究中提(ti)取比通常使用這(zhe)(zhe)種材料(liao)更多的(de)(de)信(xin)息。雖然這(zhe)(zhe)種方法不能(neng)取代活性炭(tan)的(de)(de)適當紋理特(te)性，但對于沒有氣體吸附(fu)實(shi)(shi)驗設備的(de)(de)實(shi)(shi)驗室(shi)來說(shuo)，非常有價值的(de)(de)。