估算活性炭表面積和孔(kong)體(ti)積

　　活性炭是(shi)各(ge)種工藝中非常重(zhong)要的多(duo)(duo)孔材料(liao)。活性炭的主要用途是(shi)吸附(fu)氣相或液(ye)相中的污染物(wu)(wu)，儲存氣體(ti) 并用作催化(hua)劑載體(ti)。活性炭等多(duo)(duo)孔材料(liao)通常有幾個物(wu)(wu)理參數(shu)，如表(biao)面積(ji)和(he)孔隙體(ti)積(ji)。在這(zhe)些(xie)(xie)材料(liao)的開發中，滿足這(zhe)些(xie)(xie)物(wu)(wu)理性能(neng)是(shi)非常重(zhong)要的，因為(wei)它們將直(zhi)接影響材料(liao)在其應用中的性能(neng)。

　　通常使用活性炭的(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)積(ji)BET液氮(dan)溫(wen)度(77)K)氮(dan)氣在(zai)不同壓力下(xia)吸附(fu)。然(ran)(ran)后根(gen)據(ju)BET表(biao)(biao)面(mian)(mian)積(ji)由(you)氮(dan)分子(zi)的(de)(de)(de)橫截面(mian)(mian)積(ji)、阿伏加(jia)德(de)羅數和(he)氮(dan)的(de)(de)(de)特(te)定單層容(rong)量的(de)(de)(de)乘積(ji)決定，由(you)氮(dan)分子(zi)的(de)(de)(de)橫截面(mian)(mian)積(ji)決定BET進(jin)一步(bu)修(xiu)改(gai)提(ti)出的(de)(de)(de)等式。氮(dan)吸附(fu)等溫(wen)線(xian)數據(ju)也用(yong)于(yu)測量孔體積(ji)。總孔體積(ji)根(gen)據(ju)*高相對壓力下(xia)吸附(fu)的(de)(de)(de)氮(dan)量進(jin)行估計，并使用(yong)Dubinin-Radushkevich微孔體積(ji)從(cong)氮(dan)吸附(fu)等溫(wen)線(xian)計算。雖(sui)然(ran)(ran)這些方法(fa)在(zai)多(duo)孔材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)積(ji)和(he)孔體積(ji)測定中被更多(duo)地(di)用(yong)作參考，但這些方法(fa)耗時且昂(ang)貴(gui)。

　　通過亞(ya)甲(jia)基藍(lan)、碘等不同吸附物(wu)(wu)的(de)吸附特性(xing)，可以獲得更多關于活(huo)(huo)性(xing)炭結構(gou)(gou)的(de)信息(xi)。這些(xie)(xie)分(fen)子(zi)(zi)的(de)吸附料吸附能力的(de)信息(xi)，這些(xie)(xie)分(fen)子(zi)(zi)的(de)吸附實驗很容易和習(xi)慣性(xing)地表示活(huo)(huo)性(xing)炭。根(gen)據亞(ya)甲(jia)基藍(lan)分(fen)子(zi)(zi)的(de)大小，它(ta)主(zhu)要吸附在中(zhong)孔(kong)中(zhong)，但在較(jiao)大的(de)微孔(kong)中(zhong)也(ye)發(fa)現了一小部分(fen)。至于亞(ya)甲(jia)藍(lan)，碘分(fen)子(zi)(zi)尺寸較(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(zi)(zi)在活(huo)(huo)性(xing)炭物(wu)(wu)理結構(gou)(gou)研究(jiu)中(zhong)探針的(de)潛力。盡管如此，亞(ya)甲(jia)基藍(lan)與碘值的(de)定量(liang)關系(xi)和活(huo)(huo)性(xing)炭的(de)結構(gou)(gou)特性(xing)還(huan)沒有詳細研究(jiu)。

　　本(ben)文(wen)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)是證明(ming)活性(xing)炭的(de)(de)(de)表面積，微孔體積和(he)(he)總孔體積可以通(tong)過(guo)碘和(he)(he)亞(ya)甲基藍(lan)的(de)(de)(de)數(shu)值進行多元化回歸來(lai)估算。該(gai)方(fang)法(fa)是考(kao)慮從(cong)不同(tong)的(de)(de)(de)前系(xi)統中(zhong)提取(qu)的(de)(de)(de)活性(xing)炭樣(yang)品和(he)(he)從(cong)文(wen)獻中(zhong)提取(qu)的(de)(de)(de)數(shu)據。

　　測試實驗開始：

　　活性炭樣品

　　方法開發了多種(zhong)活(huo)性炭樣品的表面積(ji)、微孔(kong)體積(ji)、總孔(kong)體積(ji)、碘(dian)值和亞甲藍數量。

　　亞甲基(ji)藍(MBN)

　　亞(ya)甲(jia)藍(lan)(lan)數定義為(wei)1.0g吸(xi)附(fu)劑上吸(xi)附(fu)的染料*多。10..0毫克(ke)活(huo)性(xing)炭被置于(yu)與(yu)10.處(chu)理24小時不同濃(nong)度(10、25、50、100、250、500、1000毫克(ke)L亞(ya)甲(jia)藍(lan)(lan)溶液-1)，室溫(wen)下(約25℃)。使用UV / Vis分光光度計(Biosystems SP-2000)在645nm分析(xi)亞(ya)甲(jia)基藍(lan)(lan)的剩余濃(nong)度。

　　亞(ya)甲基(ji)藍(lan)液吸附(fu)的亞(ya)甲基(ji)藍(lan)量由式1計算：

　　其中C 0 (mg L -1)是開始時間(t = 0)亞(ya)甲基(ji)藍溶液(ye)(ye)(ye)的濃度，C e(mg L -1)平衡亞(ya)甲藍溶液(ye)(ye)(ye)的濃度，V(L)處理溶液(ye)(ye)(ye)體積，M(g)是吸附(fu)劑的質(zhi)量。

　　為(wei)了確定Langmuir模型(xing)的亞甲(jia)基藍(lan)數(shu)(shu)，使用(yong)C e的函(han)數(shu)(shu)作出q eq曲(qu)線。Langmuir參(can)數(shu)(shu)(q max 和K L)通(tong)過*小二乘擬(ni)合回歸找到。

　　碘值(IN)

　　碘(dian)(dian)值根據ASTM D4607-94方法測定(ding)。碘(dian)(dian)值定(ding)義為(wei)0.02N(0.02mol L -1)時(shi)，被1.0g碘(dian)(dian)的(de)(de)毫克(ke)數被碳吸附。該方法基于三(san)點(dian)等(deng)(deng)溫線(xian)。標準碘(dian)(dian)溶(rong)(rong)液在(zai)(zai)特定(ding)條件下用三(san)種不同重量(liang)的(de)(de)活性(xing)炭(tan)處(chu)理。實驗包(bao)括(kuo)用10.0mL的(de)(de)5%HCl處(chu)理活性(xing)炭(tan)樣品。將混合物煮30秒，然后冷(leng)卻。不久之后，將是100.0mL的(de)(de)0.1N(0.1mol L -1)將碘(dian)(dian)溶(rong)(rong)液加(jia)入混合物中(zhong)，攪(jiao)拌30秒。過(guo)濾所(suo)得溶(rong)(rong)液50.0毫升濾液滴定(ding)用0.1N(0.硫代硫酸鈉，1摩爾大(da)號-1)，以淀粉為(wei)指示劑。每克(ke)碳吸附的(de)(de)碘(dian)(dian)量(liang)(X / M)相對濾液(C)用對數軸繪制中(zhong)碘(dian)(dian)濃度。若殘(can)留碘(dian)(dian)濃度(C)不在(zai)(zai)0.008-0.04 N(0.008-0.04 mol L -在(zai)(zai)1)范圍內(nei)，每個等(deng)(deng)溫點(dian)應(ying)使用不同的(de)(de)碳質重復整個過(guo)程。*小二乘(cheng)擬合回歸這三(san)點(dian)應(ying)用。碘(dian)(dian)值為(wei)殘(can)留濃度(C)為(wei)0.02N(0.02mol L -1)時(shi)的(de)(de) X / M值。所(suo)述X / M和(he)C ^ 等(deng)(deng)式(shi)2和(he)3分別計算值。

　　其中N I 是碘溶液(ye)(ye)的(de)當量濃(nong)度(du)，V I碘溶液(ye)(ye)的(de)添(tian)加(jia)量，V HCl是5%HCl加(jia)入體積(ji)，V F 是滴定中使用(yong)的(de)濾液(ye)(ye)體積(ji)，N Na 2 S 2O 3 鈉硫(liu)代硫(liu)酸鈉溶液(ye)(ye)正常，V Na 2 S 2 O 3 是硫(liu)代硫(liu)酸鈉溶液(ye)(ye)的(de)消(xiao)耗量，M C 是活性炭的(de)質量。

　　比表面積

　　在77K氮吸(xi)附試(shi)驗用儀器確定(ding)試(shi)樣(yang)(yang)的(de)比(bi)(bi)表面積。吸(xi)附測量(liang)前，樣(yang)(yang)品為180℃過夜(ye)放氣BET模(mo)型(xing)擬合(he)氮吸(xi)附等溫線，評估樣(yang)(yang)品的(de)比(bi)(bi)表面積。

　　孔體積

　　氮吸(xi)附(fu)等溫(wen)線(xian)數(shu)據被用(yong)于估計(ji)測試樣品的孔體積。總孔體積由相對壓力為0.估計(ji)98氮吸(xi)附(fu)量。Dubinin-Radushkevich微孔體積從氮吸(xi)附(fu)等溫(wen)線(xian)計(ji)算。

　　多元回歸

　　KS該算(suan)法用于(yu)分(fen)離校(xiao)準(zhun)(zhun)(zhun)組和(he)測試組中的(de)樣(yang)(yang)品。根據(ju)歐幾(ji)里德幾(ji)里德距離選(xuan)擇(ze)樣(yang)(yang)本(ben)。前兩個(ge)樣(yang)(yang)本(ben)相(xiang)距*遠。以下樣(yang)(yang)本(ben)是通過(guo)與之前選(xuan)擇(ze)的(de)樣(yang)(yang)本(ben)的(de)距離來選(xuan)擇(ze)的(de)。校(xiao)準(zhun)(zhun)(zhun)組中不同樣(yang)(yang)品量的(de)校(xiao)準(zhun)(zhun)(zhun)。選(xuan)擇(ze)校(xiao)準(zhun)(zhun)(zhun)中使用的(de)樣(yang)(yang)本(ben)數量來生成顯示(shi)測試組樣(yang)(yang)本(ben)的(de)*小誤差模型(xing)。校(xiao)準(zhun)(zhun)(zhun)模型(xing)采(cai)用*小二(er)乘擬合，表面積由亞甲基藍和(he)碘值確定，總孔(kong)體積和(he)微(wei)孔(kong)體積估計。Matlab用于(yu)計算(suan)程序的(de)軟件。

　　結果分析：

　　*初建(jian)立表(biao)面圖，檢查(cha)活性炭樣品(pin)的(de)(de)表(biao)面積(ji)、總孔體(ti)(ti)積(ji)和(he)微(wei)孔體(ti)(ti)積(ji)與亞甲藍和(he)碘值(zhi)之間的(de)(de)關系。使用實(shi)驗部(bu)分引用的(de)(de)樣品(pin)的(de)(de)數據構建(jian)圖(圖1S，補充材(cai)料)。

　　在所有情況下，亞(ya)甲(jia)基藍和(he)(he)碘(dian)的(de)數量隨(sui)著(zhu)表面(mian)積(ji)和(he)(he)孔體積(ji)的(de)比例而增加，這表明它們是測量這些性質的(de)有趣(qu)探針(zhen)。事實上，亞(ya)甲(jia)基藍分子的(de)面(mian)積(ji)為15.08納米2，只能進(jin)入大微(wei)孔和(he)(he)中孔。5碘(dian)分子面(mian)積(ji)小15 為0.4nm 并且(qie)可以進(jin)入較小的(de)微(wei)孔。

　　表面積建模

　　使用(yong)二次(ci)模(mo)型(xing)來描述(shu)(shu)與(yu)表面(mian)積(ji)相比的亞甲(jia)基藍和(he)碘(dian)的數量。對于模(mo)型(xing)開發，Kennard-Stone從105個樣本中(zhong)選擇27個樣本進行校準(zhun)。樣品表面(mian)積(ji)從199到(dao)(dao)2105 m 2 g -1不等。亞甲(jia)基藍的數量在0到(dao)(dao)501毫(hao)克(ke)之(zhi)間(jian)，碘(dian)值從155到(dao)(dao)1670毫(hao)克(ke)之(zhi)間(jian)。建(jian)模(mo)后獲得(de)的表面(mian)擬合(圖1)由公式4描述(shu)(shu)。

　　考慮到我們獲得的(de)文獻和數(shu)據中(zhong)的(de)數(shu)據，通過(guo)該方(fang)程的(de)表(biao)面積預(yu)測測試了78個測試樣品。圖(tu)2顯示了等式4預(yu)測的(de)值和實驗(yan)BET值之間的(de)比較。

　　觀察(cha)值(zhi)之間的(de)良(liang)好相關性表明(ming)該模型具有良(liang)好的(de)預測(ce)能(neng)力(li)。測(ce)試樣(yang)品中觀察(cha)到的(de)平(ping)均(jun)絕對誤(wu)差(cha)為(wei)77.8米2 克-1的(de)平(ping)均(jun)相對誤(wu)差(cha)為(wei)11.8%。表1給出了模型的(de)統計(ji)參(can)數。

　　據報(bao)道，碘值(zhi)(zhi)可(ke)通(tong)過(guo)每次吸(xi)附(fu)1mg碘的表面積(ji)1m 為活性炭(tan)表面積(ji)提供關(guan)系。這(zhe)一(yi)考慮(lv)是在本(ben)工作中使(shi)(shi)(shi)用(yong)的數(shu)據完成的，但誤(wu)差(cha)明顯(xian)高(gao)于(yu)(yu)使(shi)(shi)(shi)用(yong)等式(shi)(shi)4估(gu)計(ji)表面積(ji)時觀察(cha)到的誤(wu)差(cha)。*小二(er)乘(cheng)法擬合只(zhi)能考慮(lv)碘值(zhi)(zhi)，但誤(wu)差(cha)仍高(gao)于(yu)(yu)使(shi)(shi)(shi)用(yong)公式(shi)(shi)4時得(de)到的誤(wu)差(cha)。因此，碘值(zhi)(zhi)和亞甲基(ji)藍(lan)值(zhi)(zhi)對于(yu)(yu)估(gu)計(ji)活性炭(tan)的表面積(ji)很重要，因為這(zhe)些材料有不同(tong)的孔(kong)徑，可(ke)以根據孔(kong)隙幾何結構由(you)不同(tong)的分子獲得(de)。

　　微孔體積建模

　　微孔體(ti)積也用(yong)二次模型描述(shu)為亞甲(jia)藍和碘值(zhi)的函數(shu)。該(gai)模型是在(zai)共50個樣本的幫助下建(jian)立起(qi)來的，其中(zhong)包括(kuo)KS校準選(xuan)擇了14個樣本。校準范圍為0.05至0.99cm 3 g -1.亞甲(jia)藍號-1和碘號從(cong)2到427毫(hao)克從(cong)195到1670毫(hao)克-1變化。建(jian)模導致表面擬合(he)(圖3)，由(you)公式5描述(shu):

　　該方程適用于(yu)微孔體(ti)積(ji)預測(ce)，評估包含文(wen)獻中的(de)數(shu)據(ju)和(he)我們獲得的(de)數(shu)據(ju)的(de)測(ce)試樣(yang)本。共(gong)測(ce)試了(le)(le)36個樣(yang)本。圖形比較（圖4）表(biao)明(ming)該模型具有良好的(de)預測(ce)能力。測(ce)試樣(yang)品組的(de)平(ping)均絕對誤(wu)(wu)差為0.05cm 3 g -1.平(ping)均相對誤(wu)(wu)差為16.4%。表(biao)2給出了(le)(le)模型的(de)統計參數(shu)。

　　由(you)于(yu)(yu)微(wei)孔(kong)的(de)(de)尺寸優先(xian)考慮碘(dian)分子，碘(dian)值也直接(jie)通(tong)過*小二乘(cheng)回歸與微(wei)孔(kong)體積(ji)相(xiang)關。然而，誤差高于(yu)(yu)考慮亞甲藍和(he)碘(dian)值時的(de)(de)誤差。這表明亞甲藍對微(wei)孔(kong)體積(ji)預測有(you)一定的(de)(de)貢獻，可能是由(you)于(yu)(yu)大(da)微(wei)孔(kong)的(de)(de)吸附。

　　總孔體積建模

　　亞甲藍與碘值與總(zong)孔容之間的(de)關系(xi)是通過(guo)線性(xing)模型建立的(de)。Kennard-Stone從39中選擇的(de)10個樣本對表面(mian)進行建模(圖5)。

　　校(xiao)準范圍被認為是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(shu)字-1。公式(shi)6描述了該(gai)模型：

　　將29個(ge)樣品的測試(shi)組應用于(yu)測試(shi)總孔體積預測的方程。預測值與(yu)參考值的一致性良好。.04cm 3 g -平(ping)(ping)均絕對(dui)誤(wu)差和13.4%的平(ping)(ping)均相對(dui)誤(wu)差。表3給出了(le)模型的統(tong)計參數。

　　在(zai)本文中，我(wo)們(men)展示了如何利用(yong)碘值和(he)亞(ya)(ya)(ya)甲藍(lan)數來(lai)(lai)估計(ji)活性炭樣品的表(biao)面積、微(wei)孔體積和(he)總(zong)孔體積。用(yong)于測定碘和(he)亞(ya)(ya)(ya)甲藍(lan)數量的程(cheng)序相(xiang)對便(bian)宜和(he)簡單，并且不需要(yao)使用(yong)復雜的設(she)備。此(ci)外，開發的方法(fa)允許從亞(ya)(ya)(ya)甲基(ji)藍(lan)和(he)碘吸附(fu)研究中提取(qu)(qu)比通常使用(yong)這種(zhong)材料更多的信息。雖然這種(zhong)方法(fa)不能取(qu)(qu)代活性炭的適當紋(wen)理特性，但對于沒(mei)有(you)氣體吸附(fu)實驗(yan)設(she)備的實驗(yan)室來(lai)(lai)說，非常有(you)價值的。