估算活(huo)性炭表面積和孔體積

　　活性(xing)炭(tan)是各(ge)種(zhong)工藝中(zhong)非(fei)常重(zhong)要的(de)(de)多(duo)孔材料(liao)。活性(xing)炭(tan)的(de)(de)主要用途是吸附氣相(xiang)或液(ye)相(xiang)中(zhong)的(de)(de)污(wu)染(ran)物，儲存氣體 并用作催化劑(ji)載體。活性(xing)炭(tan)等多(duo)孔材料(liao)通常有幾個(ge)物理(li)參(can)數，如表面積和孔隙(xi)體積。在(zai)這些材料(liao)的(de)(de)開發中(zhong)，滿足這些物理(li)性(xing)能是非(fei)常重(zhong)要的(de)(de)，因為它們將直(zhi)接影響(xiang)材料(liao)在(zai)其應用中(zhong)的(de)(de)性(xing)能。

　　通常使用活性炭的(de)(de)表面(mian)積BET液氮(dan)(dan)(dan)溫度(du)(77)K)氮(dan)(dan)(dan)氣在不同(tong)壓力下吸(xi)附(fu)。然(ran)(ran)后根(gen)據BET表面(mian)積由氮(dan)(dan)(dan)分(fen)子(zi)的(de)(de)橫截面(mian)積、阿(a)伏加德羅數(shu)和氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)特定(ding)(ding)(ding)單層(ceng)容量(liang)的(de)(de)乘積決定(ding)(ding)(ding)，由氮(dan)(dan)(dan)分(fen)子(zi)的(de)(de)橫截面(mian)積決定(ding)(ding)(ding)BET進(jin)一(yi)步修(xiu)改提(ti)出的(de)(de)等式。氮(dan)(dan)(dan)吸(xi)附(fu)等溫線(xian)數(shu)據也用于(yu)測量(liang)孔(kong)體(ti)積。總孔(kong)體(ti)積根(gen)據*高相對壓力下吸(xi)附(fu)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)量(liang)進(jin)行估計(ji)，并使用Dubinin-Radushkevich微孔(kong)體(ti)積從(cong)氮(dan)(dan)(dan)吸(xi)附(fu)等溫線(xian)計(ji)算。雖(sui)然(ran)(ran)這(zhe)些(xie)方法在多(duo)孔(kong)材料的(de)(de)表面(mian)積和孔(kong)體(ti)積測定(ding)(ding)(ding)中被更多(duo)地用作(zuo)參(can)考，但這(zhe)些(xie)方法耗時且昂(ang)貴。

　　通過亞甲基藍、碘等不同(tong)吸(xi)附物的(de)吸(xi)附特性(xing)，可以獲得更多關(guan)于活性(xing)炭(tan)結(jie)構的(de)信息(xi)。這(zhe)些(xie)(xie)分(fen)(fen)子的(de)吸(xi)附料吸(xi)附能力(li)的(de)信息(xi)，這(zhe)些(xie)(xie)分(fen)(fen)子的(de)吸(xi)附實驗很(hen)容易(yi)和習慣性(xing)地(di)表示活性(xing)炭(tan)。根據(ju)亞甲基藍分(fen)(fen)子的(de)大小，它主要(yao)吸(xi)附在中(zhong)孔(kong)中(zhong)，但在較(jiao)大的(de)微孔(kong)中(zhong)也發現(xian)了一(yi)小部分(fen)(fen)。至(zhi)于亞甲藍，碘分(fen)(fen)子尺寸較(jiao)差(cha)，可以滲透到微孔(kong)中(zhong)。這(zhe)些(xie)(xie)特征賦予了這(zhe)些(xie)(xie)分(fen)(fen)子在活性(xing)炭(tan)物理結(jie)構研究(jiu)中(zhong)探(tan)針(zhen)的(de)潛力(li)。盡(jin)管(guan)如此，亞甲基藍與碘值的(de)定量關(guan)系和活性(xing)炭(tan)的(de)結(jie)構特性(xing)還沒有詳細研究(jiu)。

　　本(ben)文的目的是(shi)證明活性炭的表面積，微孔體積和(he)總孔體積可(ke)以通(tong)過碘和(he)亞甲基藍的數值進行多元化回歸來估算。該(gai)方法是(shi)考(kao)慮(lv)從(cong)不同的前系統中(zhong)提(ti)取的活性炭樣品(pin)和(he)從(cong)文獻中(zhong)提(ti)取的數據(ju)。

　　測試實驗開始：

　　活性炭樣品

　　方(fang)法開發了多(duo)種活(huo)性炭樣品的表面積、微孔(kong)體(ti)積、總孔(kong)體(ti)積、碘值和亞(ya)甲(jia)藍數量。

　　亞甲基藍(MBN)

　　亞甲(jia)藍數定義(yi)為1.0g吸附劑(ji)上吸附的(de)染料*多。10..0毫(hao)(hao)克(ke)活性炭被置于(yu)與10.處理24小時不同濃(nong)度(du)(du)(10、25、50、100、250、500、1000毫(hao)(hao)克(ke)L亞甲(jia)藍溶液-1)，室溫下(約25℃)。使用UV / Vis分光光度(du)(du)計(Biosystems SP-2000)在(zai)645nm分析亞甲(jia)基藍的(de)剩余濃(nong)度(du)(du)。

　　亞(ya)甲基藍液吸附的亞(ya)甲基藍量由(you)式1計算：

　　其中C 0 (mg L -1)是開始時(shi)間(t = 0)亞(ya)甲基藍(lan)溶(rong)液的濃(nong)(nong)度(du)，C e(mg L -1)平衡亞(ya)甲藍(lan)溶(rong)液的濃(nong)(nong)度(du)，V(L)處理溶(rong)液體積，M(g)是吸(xi)附劑的質量。

　　為了確定Langmuir模型(xing)的(de)亞甲基(ji)藍數(shu)(shu)，使用C e的(de)函(han)數(shu)(shu)作出q eq曲(qu)線。Langmuir參數(shu)(shu)(q max 和(he)K L)通過*小二乘擬合回歸(gui)找到。

　　碘值(IN)

　　碘(dian)(dian)(dian)值(zhi)(zhi)(zhi)根據ASTM D4607-94方法(fa)測定(ding)(ding)(ding)。碘(dian)(dian)(dian)值(zhi)(zhi)(zhi)定(ding)(ding)(ding)義為0.02N(0.02mol L -1)時，被(bei)1.0g碘(dian)(dian)(dian)的(de)(de)毫克數被(bei)碳(tan)吸附。該(gai)方法(fa)基(ji)于三點(dian)等溫線。標(biao)準碘(dian)(dian)(dian)溶液(ye)(ye)在特(te)定(ding)(ding)(ding)條件下用(yong)三種不同(tong)重(zhong)量的(de)(de)活性炭處(chu)理(li)。實驗包(bao)括用(yong)10.0mL的(de)(de)5%HCl處(chu)理(li)活性炭樣品。將混合物(wu)煮(zhu)30秒(miao)，然后(hou)(hou)冷卻。不久(jiu)之后(hou)(hou)，將是100.0mL的(de)(de)0.1N(0.1mol L -1)將碘(dian)(dian)(dian)溶液(ye)(ye)加入混合物(wu)中，攪拌30秒(miao)。過濾所得溶液(ye)(ye)50.0毫升濾液(ye)(ye)滴定(ding)(ding)(ding)用(yong)0.1N(0.硫代硫酸(suan)鈉，1摩爾大(da)號-1)，以淀粉為指示劑(ji)。每克碳(tan)吸附的(de)(de)碘(dian)(dian)(dian)量(X / M)相對濾液(ye)(ye)(C)用(yong)對數軸(zhou)繪制(zhi)中碘(dian)(dian)(dian)濃度(du)。若(ruo)殘留碘(dian)(dian)(dian)濃度(du)(C)不在0.008-0.04 N(0.008-0.04 mol L -在1)范圍內，每個等溫點(dian)應使用(yong)不同(tong)的(de)(de)碳(tan)質重(zhong)復整個過程。*小二乘(cheng)擬合回歸這(zhe)三點(dian)應用(yong)。碘(dian)(dian)(dian)值(zhi)(zhi)(zhi)為殘留濃度(du)(C)為0.02N(0.02mol L -1)時的(de)(de) X / M值(zhi)(zhi)(zhi)。所述X / M和C ^ 等式2和3分別計算值(zhi)(zhi)(zhi)。

　　其(qi)中N I 是碘溶(rong)液(ye)(ye)的當量(liang)濃度，V I碘溶(rong)液(ye)(ye)的添(tian)加(jia)量(liang)，V HCl是5%HCl加(jia)入體積，V F 是滴(di)定中使用的濾液(ye)(ye)體積，N Na 2 S 2O 3 鈉硫(liu)代硫(liu)酸鈉溶(rong)液(ye)(ye)正常，V Na 2 S 2 O 3 是硫(liu)代硫(liu)酸鈉溶(rong)液(ye)(ye)的消(xiao)耗量(liang)，M C 是活性炭(tan)的質量(liang)。

　　比表面積

　　在77K氮吸(xi)附(fu)試驗用(yong)儀器確定試樣(yang)的比表(biao)面(mian)積。吸(xi)附(fu)測量前，樣(yang)品為180℃過(guo)夜放氣BET模型擬(ni)合氮吸(xi)附(fu)等溫線，評估樣(yang)品的比表(biao)面(mian)積。

　　孔體積

　　氮(dan)吸附等(deng)溫線數(shu)據被用于估(gu)計(ji)測試樣品的孔(kong)體(ti)積。總孔(kong)體(ti)積由相(xiang)對壓力(li)為0.估(gu)計(ji)98氮(dan)吸附量。Dubinin-Radushkevich微孔(kong)體(ti)積從(cong)氮(dan)吸附等(deng)溫線計(ji)算。

　　多元回歸

　　KS該算法用于分離校(xiao)準(zhun)組和測試組中的(de)樣(yang)(yang)品。根據歐幾(ji)(ji)里德幾(ji)(ji)里德距(ju)離選擇樣(yang)(yang)本(ben)(ben)(ben)。前(qian)兩個樣(yang)(yang)本(ben)(ben)(ben)相距(ju)*遠。以(yi)下樣(yang)(yang)本(ben)(ben)(ben)是(shi)通過與之前(qian)選擇的(de)樣(yang)(yang)本(ben)(ben)(ben)的(de)距(ju)離來(lai)(lai)選擇的(de)。校(xiao)準(zhun)組中不同樣(yang)(yang)品量(liang)的(de)校(xiao)準(zhun)。選擇校(xiao)準(zhun)中使用的(de)樣(yang)(yang)本(ben)(ben)(ben)數(shu)量(liang)來(lai)(lai)生成(cheng)顯示測試組樣(yang)(yang)本(ben)(ben)(ben)的(de)*小(xiao)(xiao)誤(wu)差模型(xing)(xing)。校(xiao)準(zhun)模型(xing)(xing)采用*小(xiao)(xiao)二(er)乘擬合(he)，表面積(ji)(ji)(ji)由亞甲基藍(lan)和碘(dian)值確定，總(zong)孔(kong)體積(ji)(ji)(ji)和微孔(kong)體積(ji)(ji)(ji)估計。Matlab用于計算程序的(de)軟件。

　　結果分析：

　　*初建立表面(mian)圖，檢查(cha)活性炭樣品的(de)表面(mian)積、總孔(kong)(kong)體積和(he)微孔(kong)(kong)體積與亞甲藍和(he)碘值(zhi)之間的(de)關系。使用(yong)實(shi)驗部分引(yin)用(yong)的(de)樣品的(de)數據構(gou)建圖(圖1S，補充材料(liao))。

　　在所有(you)情(qing)況下，亞甲基藍和碘的(de)數量隨著表面積和孔體積的(de)比例而增加，這(zhe)表明(ming)它們是測量這(zhe)些性質的(de)有(you)趣探針。事實(shi)上，亞甲基藍分子的(de)面積為15.08納米2，只能進入大(da)微(wei)孔和中孔。5碘分子面積小15 為0.4nm 并且可以(yi)進入較小的(de)微(wei)孔。

　　表面積建模

　　使用(yong)二次模(mo)型來(lai)描(miao)述與(yu)表(biao)(biao)面積(ji)相比的亞甲(jia)基(ji)藍和碘的數量。對(dui)于模(mo)型開發，Kennard-Stone從105個(ge)樣(yang)本(ben)(ben)中(zhong)選擇27個(ge)樣(yang)本(ben)(ben)進(jin)行校準。樣(yang)品表(biao)(biao)面積(ji)從199到(dao)2105 m 2 g -1不等(deng)。亞甲(jia)基(ji)藍的數量在0到(dao)501毫克(ke)(ke)之(zhi)間，碘值從155到(dao)1670毫克(ke)(ke)之(zhi)間。建(jian)模(mo)后獲得的表(biao)(biao)面擬合(圖1)由公式4描(miao)述。

　　考慮(lv)到(dao)我們獲得的(de)(de)(de)文(wen)獻和數據中的(de)(de)(de)數據，通過(guo)該方(fang)程(cheng)的(de)(de)(de)表(biao)面積預測(ce)(ce)測(ce)(ce)試了(le)78個(ge)測(ce)(ce)試樣品。圖(tu)2顯(xian)示(shi)了(le)等式4預測(ce)(ce)的(de)(de)(de)值(zhi)和實驗BET值(zhi)之間的(de)(de)(de)比較(jiao)。

　　觀察值(zhi)之間的(de)良好相關性表明(ming)該模(mo)型(xing)(xing)具(ju)有良好的(de)預測(ce)能力。測(ce)試樣品(pin)中觀察到的(de)平均(jun)絕對(dui)誤(wu)差(cha)為77.8米(mi)2 克-1的(de)平均(jun)相對(dui)誤(wu)差(cha)為11.8%。表1給出了模(mo)型(xing)(xing)的(de)統計參數。

　　據(ju)報(bao)道(dao)，碘值可(ke)通過每次吸附1mg碘的(de)表(biao)(biao)面積(ji)1m 為活性炭表(biao)(biao)面積(ji)提供(gong)關(guan)系(xi)。這一考(kao)慮(lv)是在本工作中(zhong)使(shi)(shi)用(yong)的(de)數(shu)據(ju)完(wan)成的(de)，但(dan)誤差明顯(xian)高于使(shi)(shi)用(yong)等式4估(gu)計(ji)表(biao)(biao)面積(ji)時(shi)觀察到的(de)誤差。*小二(er)乘法擬(ni)合只能考(kao)慮(lv)碘值，但(dan)誤差仍高于使(shi)(shi)用(yong)公式4時(shi)得到的(de)誤差。因此，碘值和亞甲(jia)基藍(lan)值對于估(gu)計(ji)活性炭的(de)表(biao)(biao)面積(ji)很重要(yao)，因為這些(xie)材料有不同(tong)的(de)孔(kong)徑(jing)，可(ke)以根據(ju)孔(kong)隙幾何(he)結構由(you)不同(tong)的(de)分(fen)子獲得。

　　微孔體積建模

　　微(wei)孔體積也用二次模(mo)型描(miao)述(shu)為(wei)亞甲藍和(he)碘值的(de)函數。該模(mo)型是在共50個(ge)樣(yang)本的(de)幫(bang)助下(xia)建立(li)起來的(de)，其(qi)中包括KS校(xiao)準選擇了14個(ge)樣(yang)本。校(xiao)準范(fan)圍為(wei)0.05至0.99cm 3 g -1.亞甲藍號(hao)-1和(he)碘號(hao)從(cong)2到(dao)427毫(hao)克從(cong)195到(dao)1670毫(hao)克-1變化。建模(mo)導致表面擬(ni)合(he)(圖3)，由公式(shi)5描(miao)述(shu):

　　該方程適用于微孔體積預(yu)測(ce)(ce)，評估包含文獻中的(de)(de)(de)數據和(he)我們獲(huo)得的(de)(de)(de)數據的(de)(de)(de)測(ce)(ce)試(shi)樣(yang)本。共測(ce)(ce)試(shi)了(le)36個樣(yang)本。圖形比較（圖4）表(biao)明該模(mo)型(xing)具有良(liang)好的(de)(de)(de)預(yu)測(ce)(ce)能力(li)。測(ce)(ce)試(shi)樣(yang)品組的(de)(de)(de)平均(jun)絕對(dui)誤(wu)差為0.05cm 3 g -1.平均(jun)相對(dui)誤(wu)差為16.4%。表(biao)2給出了(le)模(mo)型(xing)的(de)(de)(de)統計參數。

　　由(you)于微孔(kong)的尺寸優先考慮(lv)碘(dian)分子，碘(dian)值也直接通過*小二(er)乘回歸與微孔(kong)體積(ji)相關。然而，誤(wu)差高于考慮(lv)亞(ya)(ya)甲藍和碘(dian)值時的誤(wu)差。這表明亞(ya)(ya)甲藍對微孔(kong)體積(ji)預測(ce)有一定的貢獻，可能是由(you)于大(da)微孔(kong)的吸附。

　　總孔體積建模

　　亞甲藍(lan)與(yu)碘(dian)值與(yu)總(zong)孔(kong)容之間的(de)關系(xi)是通過線性模型建立(li)的(de)。Kennard-Stone從39中(zhong)選擇的(de)10個樣本對表面進行建模(圖5)。

　　校準范圍被認為(wei)是0.09到(dao)1.11 cm 3 g -1.碘號從195到(dao)1294毫克(ke)-1和2到(dao)427毫克(ke)變化(hua)的亞甲基藍(lan)數字-1。公式6描述了該模型：

　　將29個(ge)樣品的(de)測試組應用于測試總孔體積預測的(de)方程(cheng)。預測值與參考值的(de)一致性良好(hao)。.04cm 3 g -平均(jun)絕對(dui)誤差和13.4%的(de)平均(jun)相對(dui)誤差。表3給出了模型的(de)統計參數(shu)。

　　在本文(wen)中，我們展示了如何利用碘(dian)值和(he)(he)亞(ya)甲藍數(shu)來估計活性(xing)(xing)炭樣品的(de)(de)(de)表面(mian)積、微孔(kong)體積和(he)(he)總孔(kong)體積。用于測定碘(dian)和(he)(he)亞(ya)甲藍數(shu)量的(de)(de)(de)程(cheng)序(xu)相對(dui)便宜和(he)(he)簡單(dan)，并且(qie)不(bu)需要(yao)使(shi)用復雜的(de)(de)(de)設(she)備。此(ci)外，開(kai)發(fa)的(de)(de)(de)方法允許(xu)從亞(ya)甲基藍和(he)(he)碘(dian)吸附研究中提取比通(tong)常使(shi)用這種材料更多的(de)(de)(de)信息。雖然這種方法不(bu)能取代活性(xing)(xing)炭的(de)(de)(de)適當(dang)紋理特(te)性(xing)(xing)，但對(dui)于沒(mei)有(you)氣體吸附實驗設(she)備的(de)(de)(de)實驗室(shi)來說，非常有(you)價值的(de)(de)(de)。