估(gu)算活性炭表面(mian)積和孔(kong)體積

　　活(huo)性炭是(shi)各種工藝中(zhong)非常重(zhong)要的(de)(de)(de)多(duo)孔材料(liao)(liao)。活(huo)性炭的(de)(de)(de)主(zhu)要用(yong)途是(shi)吸(xi)附氣(qi)相(xiang)或液相(xiang)中(zhong)的(de)(de)(de)污染物，儲存氣(qi)體(ti) 并用(yong)作催化劑載體(ti)。活(huo)性炭等多(duo)孔材料(liao)(liao)通常有幾個物理(li)參(can)數，如表面積(ji)和孔隙體(ti)積(ji)。在(zai)這(zhe)些材料(liao)(liao)的(de)(de)(de)開發中(zhong)，滿(man)足(zu)這(zhe)些物理(li)性能是(shi)非常重(zhong)要的(de)(de)(de)，因為它們將(jiang)直接影響(xiang)材料(liao)(liao)在(zai)其(qi)應用(yong)中(zhong)的(de)(de)(de)性能。

　　通常使用活性炭的(de)(de)表面積BET液(ye)氮(dan)(dan)(dan)溫(wen)度(77)K)氮(dan)(dan)(dan)氣在(zai)不同壓力下(xia)吸(xi)附(fu)。然后根(gen)據BET表面積由氮(dan)(dan)(dan)分子(zi)的(de)(de)橫截面積、阿伏加德羅數(shu)和氮(dan)(dan)(dan)的(de)(de)特(te)定(ding)單層容量的(de)(de)乘(cheng)積決(jue)定(ding)，由氮(dan)(dan)(dan)分子(zi)的(de)(de)橫截面積決(jue)定(ding)BET進(jin)一步修改提(ti)出的(de)(de)等式。氮(dan)(dan)(dan)吸(xi)附(fu)等溫(wen)線數(shu)據也(ye)用于測量孔(kong)(kong)體(ti)積。總孔(kong)(kong)體(ti)積根(gen)據*高相對(dui)壓力下(xia)吸(xi)附(fu)的(de)(de)氮(dan)(dan)(dan)量進(jin)行估計，并使用Dubinin-Radushkevich微孔(kong)(kong)體(ti)積從氮(dan)(dan)(dan)吸(xi)附(fu)等溫(wen)線計算。雖然這(zhe)些方法(fa)在(zai)多孔(kong)(kong)材料(liao)的(de)(de)表面積和孔(kong)(kong)體(ti)積測定(ding)中被更多地用作參考，但這(zhe)些方法(fa)耗(hao)時且昂貴。

　　通過亞(ya)(ya)(ya)甲(jia)(jia)(jia)基藍(lan)、碘等(deng)不同吸(xi)附(fu)(fu)物的(de)(de)(de)吸(xi)附(fu)(fu)特性(xing)，可以獲得更(geng)多關(guan)于(yu)活(huo)性(xing)炭結(jie)構(gou)的(de)(de)(de)信息。這些(xie)(xie)分(fen)(fen)(fen)子(zi)的(de)(de)(de)吸(xi)附(fu)(fu)料吸(xi)附(fu)(fu)能(neng)力(li)的(de)(de)(de)信息，這些(xie)(xie)分(fen)(fen)(fen)子(zi)的(de)(de)(de)吸(xi)附(fu)(fu)實驗很容易和習慣性(xing)地表示(shi)活(huo)性(xing)炭。根據亞(ya)(ya)(ya)甲(jia)(jia)(jia)基藍(lan)分(fen)(fen)(fen)子(zi)的(de)(de)(de)大(da)(da)小(xiao)，它主要吸(xi)附(fu)(fu)在中孔中，但在較(jiao)(jiao)大(da)(da)的(de)(de)(de)微孔中也發(fa)現了一(yi)小(xiao)部分(fen)(fen)(fen)。至于(yu)亞(ya)(ya)(ya)甲(jia)(jia)(jia)藍(lan)，碘分(fen)(fen)(fen)子(zi)尺寸(cun)較(jiao)(jiao)差，可以滲透到微孔中。這些(xie)(xie)特征賦予了這些(xie)(xie)分(fen)(fen)(fen)子(zi)在活(huo)性(xing)炭物理(li)結(jie)構(gou)研(yan)究中探針的(de)(de)(de)潛力(li)。盡管如此，亞(ya)(ya)(ya)甲(jia)(jia)(jia)基藍(lan)與碘值(zhi)的(de)(de)(de)定量關(guan)系(xi)和活(huo)性(xing)炭的(de)(de)(de)結(jie)構(gou)特性(xing)還沒(mei)有詳細研(yan)究。

　　本文(wen)的(de)(de)目(mu)的(de)(de)是證明活性炭的(de)(de)表(biao)面積(ji)，微孔(kong)體(ti)積(ji)和(he)(he)總孔(kong)體(ti)積(ji)可以通過碘(dian)和(he)(he)亞甲基(ji)藍(lan)的(de)(de)數值進行(xing)多(duo)元(yuan)化回歸(gui)來估(gu)算(suan)。該方法是考慮(lv)從(cong)不同的(de)(de)前系統中(zhong)提取的(de)(de)活性炭樣(yang)品和(he)(he)從(cong)文(wen)獻中(zhong)提取的(de)(de)數據(ju)。

　　測試實驗開始：

　　活性炭樣品

　　方(fang)法開發(fa)了(le)多種活性炭樣品(pin)的表(biao)面積、微孔(kong)體積、總(zong)孔(kong)體積、碘值(zhi)和亞甲藍數量。

　　亞甲(jia)基藍(MBN)

　　亞(ya)甲藍(lan)數(shu)定義為1.0g吸附(fu)劑上(shang)吸附(fu)的(de)染料(liao)*多。10..0毫克(ke)活性炭被置(zhi)于與10.處理24小時不同濃度(du)(10、25、50、100、250、500、1000毫克(ke)L亞(ya)甲藍(lan)溶液-1)，室溫下(約(yue)25℃)。使用UV / Vis分(fen)(fen)光光度(du)計(Biosystems SP-2000)在645nm分(fen)(fen)析亞(ya)甲基藍(lan)的(de)剩(sheng)余濃度(du)。

　　亞甲基(ji)藍液吸附(fu)的亞甲基(ji)藍量由式1計算：

　　其中(zhong)C 0 (mg L -1)是開始時(shi)間(jian)(t = 0)亞(ya)甲基(ji)藍(lan)溶(rong)(rong)(rong)液(ye)的(de)濃度(du)，C e(mg L -1)平衡亞(ya)甲藍(lan)溶(rong)(rong)(rong)液(ye)的(de)濃度(du)，V(L)處(chu)理溶(rong)(rong)(rong)液(ye)體積(ji)，M(g)是吸附劑的(de)質量。

　　為了確定(ding)Langmuir模型(xing)的亞甲基藍(lan)數(shu)，使用C e的函數(shu)作出(chu)q eq曲線。Langmuir參數(shu)(q max 和K L)通過(guo)*小二乘擬(ni)合回歸找到。

　　碘值(IN)

　　碘(dian)(dian)(dian)值根據ASTM D4607-94方法(fa)測定(ding)。碘(dian)(dian)(dian)值定(ding)義為0.02N(0.02mol L -1)時(shi)，被1.0g碘(dian)(dian)(dian)的(de)(de)毫克(ke)數(shu)被碳吸(xi)附。該(gai)方法(fa)基于三(san)點(dian)(dian)等(deng)溫線。標準碘(dian)(dian)(dian)溶(rong)液(ye)在特定(ding)條件下用(yong)(yong)三(san)種(zhong)不(bu)同重量(liang)(liang)的(de)(de)活(huo)性(xing)炭處理。實驗包括(kuo)用(yong)(yong)10.0mL的(de)(de)5%HCl處理活(huo)性(xing)炭樣(yang)品。將混合物(wu)煮30秒，然后冷卻(que)。不(bu)久之后，將是100.0mL的(de)(de)0.1N(0.1mol L -1)將碘(dian)(dian)(dian)溶(rong)液(ye)加(jia)入混合物(wu)中，攪拌30秒。過濾(lv)所(suo)(suo)得溶(rong)液(ye)50.0毫升濾(lv)液(ye)滴定(ding)用(yong)(yong)0.1N(0.硫代(dai)硫酸鈉，1摩爾(er)大號-1)，以淀(dian)粉(fen)為指示(shi)劑。每(mei)(mei)克(ke)碳吸(xi)附的(de)(de)碘(dian)(dian)(dian)量(liang)(liang)(X / M)相對濾(lv)液(ye)(C)用(yong)(yong)對數(shu)軸(zhou)繪(hui)制(zhi)中碘(dian)(dian)(dian)濃度。若殘(can)留碘(dian)(dian)(dian)濃度(C)不(bu)在0.008-0.04 N(0.008-0.04 mol L -在1)范圍內，每(mei)(mei)個(ge)等(deng)溫點(dian)(dian)應使用(yong)(yong)不(bu)同的(de)(de)碳質重復整個(ge)過程。*小二乘(cheng)擬合回歸這三(san)點(dian)(dian)應用(yong)(yong)。碘(dian)(dian)(dian)值為殘(can)留濃度(C)為0.02N(0.02mol L -1)時(shi)的(de)(de) X / M值。所(suo)(suo)述X / M和C ^ 等(deng)式2和3分別(bie)計算值。

　　其(qi)中N I 是(shi)(shi)碘(dian)溶液(ye)(ye)的(de)(de)當量(liang)濃度，V I碘(dian)溶液(ye)(ye)的(de)(de)添加量(liang)，V HCl是(shi)(shi)5%HCl加入體積(ji)，V F 是(shi)(shi)滴定中使用(yong)的(de)(de)濾液(ye)(ye)體積(ji)，N Na 2 S 2O 3 鈉硫(liu)(liu)代(dai)硫(liu)(liu)酸鈉溶液(ye)(ye)正常(chang)，V Na 2 S 2 O 3 是(shi)(shi)硫(liu)(liu)代(dai)硫(liu)(liu)酸鈉溶液(ye)(ye)的(de)(de)消(xiao)耗量(liang)，M C 是(shi)(shi)活(huo)性炭的(de)(de)質量(liang)。

　　比表面積

　　在77K氮吸(xi)附試驗用儀器(qi)確定試樣(yang)的(de)比(bi)表(biao)面積。吸(xi)附測量(liang)前(qian)，樣(yang)品(pin)為180℃過(guo)夜放氣BET模型擬(ni)合氮吸(xi)附等溫(wen)線，評估樣(yang)品(pin)的(de)比(bi)表(biao)面積。

　　孔體積

　　氮(dan)(dan)吸附等溫線數據(ju)被用(yong)于估計(ji)測試(shi)樣品的孔(kong)體(ti)(ti)積。總孔(kong)體(ti)(ti)積由(you)相對(dui)壓力為0.估計(ji)98氮(dan)(dan)吸附量。Dubinin-Radushkevich微(wei)孔(kong)體(ti)(ti)積從氮(dan)(dan)吸附等溫線計(ji)算。

　　多元回歸

　　KS該算法(fa)用于(yu)分離(li)(li)校(xiao)(xiao)準(zhun)組(zu)和測(ce)試組(zu)中的(de)(de)(de)樣(yang)品。根據(ju)歐(ou)幾(ji)里德幾(ji)里德距(ju)離(li)(li)選擇(ze)樣(yang)本(ben)。前(qian)(qian)兩(liang)個樣(yang)本(ben)相距(ju)*遠。以下樣(yang)本(ben)是通過與之(zhi)前(qian)(qian)選擇(ze)的(de)(de)(de)樣(yang)本(ben)的(de)(de)(de)距(ju)離(li)(li)來選擇(ze)的(de)(de)(de)。校(xiao)(xiao)準(zhun)組(zu)中不同樣(yang)品量的(de)(de)(de)校(xiao)(xiao)準(zhun)。選擇(ze)校(xiao)(xiao)準(zhun)中使用的(de)(de)(de)樣(yang)本(ben)數量來生(sheng)成顯示(shi)測(ce)試組(zu)樣(yang)本(ben)的(de)(de)(de)*小誤差(cha)模(mo)型。校(xiao)(xiao)準(zhun)模(mo)型采用*小二乘(cheng)擬合，表面(mian)積由亞甲基藍和碘(dian)值確定，總(zong)孔(kong)(kong)體積和微孔(kong)(kong)體積估(gu)計。Matlab用于(yu)計算程序的(de)(de)(de)軟件。

　　結果分析：

　　*初建(jian)立表面圖(tu)，檢查活性炭樣(yang)(yang)品(pin)的(de)(de)(de)表面積、總孔(kong)體積和微(wei)孔(kong)體積與(yu)亞甲藍和碘值(zhi)之間的(de)(de)(de)關系。使(shi)用實驗部分引用的(de)(de)(de)樣(yang)(yang)品(pin)的(de)(de)(de)數(shu)據構建(jian)圖(tu)(圖(tu)1S，補(bu)充(chong)材(cai)料)。

　　在所有情(qing)況下，亞(ya)甲基(ji)藍(lan)和碘(dian)的數量隨著表(biao)面(mian)積(ji)和孔(kong)體積(ji)的比例而(er)增(zeng)加，這表(biao)明它們是測量這些性質的有趣(qu)探針。事實(shi)上，亞(ya)甲基(ji)藍(lan)分子的面(mian)積(ji)為15.08納米(mi)2，只能進入大微孔(kong)和中孔(kong)。5碘(dian)分子面(mian)積(ji)小(xiao)15 為0.4nm 并且(qie)可以進入較小(xiao)的微孔(kong)。

　　表面積建模

　　使(shi)用二次模(mo)型來描述(shu)與(yu)表面積相比(bi)的亞(ya)(ya)甲(jia)基藍和碘的數量(liang)。對于模(mo)型開(kai)發，Kennard-Stone從(cong)105個樣本中選擇27個樣本進行校準。樣品表面積從(cong)199到2105 m 2 g -1不等。亞(ya)(ya)甲(jia)基藍的數量(liang)在0到501毫(hao)(hao)克(ke)之間，碘值從(cong)155到1670毫(hao)(hao)克(ke)之間。建模(mo)后獲得的表面擬合(圖1)由公式4描述(shu)。

　　考慮到我們獲得的文獻和數據(ju)中的數據(ju)，通過該方程的表面積預測測試了78個測試樣品。圖(tu)2顯(xian)示了等式4預測的值和實驗BET值之間的比(bi)較。

　　觀(guan)察值之間的(de)良(liang)好(hao)相關性表(biao)(biao)明該模(mo)型具有良(liang)好(hao)的(de)預測能力。測試樣品(pin)中觀(guan)察到的(de)平均絕對誤差(cha)為77.8米2 克(ke)-1的(de)平均相對誤差(cha)為11.8%。表(biao)(biao)1給出(chu)了模(mo)型的(de)統(tong)計參數。

　　據(ju)報(bao)道，碘(dian)(dian)值(zhi)可(ke)通過每次吸(xi)附(fu)1mg碘(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)表(biao)面積1m 為活性(xing)炭(tan)表(biao)面積提供關系。這(zhe)一考慮(lv)(lv)是在本工作中使(shi)用的(de)(de)(de)(de)數(shu)據(ju)完成(cheng)的(de)(de)(de)(de)，但誤(wu)差明顯(xian)高于(yu)(yu)使(shi)用等式4估計(ji)表(biao)面積時觀察到(dao)的(de)(de)(de)(de)誤(wu)差。*小二乘法擬(ni)合只能考慮(lv)(lv)碘(dian)(dian)值(zhi)，但誤(wu)差仍高于(yu)(yu)使(shi)用公(gong)式4時得到(dao)的(de)(de)(de)(de)誤(wu)差。因此(ci)，碘(dian)(dian)值(zhi)和亞甲基藍(lan)值(zhi)對于(yu)(yu)估計(ji)活性(xing)炭(tan)的(de)(de)(de)(de)表(biao)面積很(hen)重要，因為這(zhe)些材(cai)料有不同的(de)(de)(de)(de)孔(kong)徑，可(ke)以根據(ju)孔(kong)隙幾(ji)何(he)結構(gou)由不同的(de)(de)(de)(de)分子(zi)獲得。

　　微孔體積建模

　　微孔體積也用二次(ci)模(mo)型描述為(wei)(wei)亞(ya)甲藍(lan)和(he)碘(dian)值(zhi)的(de)函數。該模(mo)型是(shi)在共50個樣本的(de)幫助下(xia)建立起來的(de)，其中包括KS校準選(xuan)擇了14個樣本。校準范(fan)圍為(wei)(wei)0.05至0.99cm 3 g -1.亞(ya)甲藍(lan)號-1和(he)碘(dian)號從2到(dao)(dao)427毫(hao)克從195到(dao)(dao)1670毫(hao)克-1變化。建模(mo)導致表面擬合(圖3)，由公式5描述:

　　該方程適用(yong)于微(wei)孔體積預測(ce)，評估包含文(wen)獻中的(de)(de)數(shu)據和我們獲得的(de)(de)數(shu)據的(de)(de)測(ce)試(shi)樣本(ben)。共測(ce)試(shi)了(le)36個(ge)樣本(ben)。圖(tu)形比較（圖(tu)4）表明該模(mo)型具有良好(hao)的(de)(de)預測(ce)能力。測(ce)試(shi)樣品組的(de)(de)平均絕(jue)對(dui)誤差為0.05cm 3 g -1.平均相對(dui)誤差為16.4%。表2給出了(le)模(mo)型的(de)(de)統計參數(shu)。

　　由于微(wei)(wei)(wei)孔的(de)尺寸優先考慮碘(dian)分子(zi)，碘(dian)值也直接通(tong)過*小二(er)乘回歸(gui)與微(wei)(wei)(wei)孔體積(ji)相關。然(ran)而，誤(wu)差(cha)高于考慮亞甲(jia)藍(lan)和碘(dian)值時的(de)誤(wu)差(cha)。這表明亞甲(jia)藍(lan)對微(wei)(wei)(wei)孔體積(ji)預測有(you)一(yi)定的(de)貢獻，可能(neng)是由于大微(wei)(wei)(wei)孔的(de)吸(xi)附。

　　總孔體積建模

　　亞甲藍與(yu)碘(dian)值與(yu)總(zong)孔容之間的(de)關(guan)系是通過線性模(mo)型建立的(de)。Kennard-Stone從39中(zhong)選擇的(de)10個樣本對表面進行建模(mo)(圖5)。

　　校(xiao)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)變化的亞甲基藍數字-1。公式(shi)6描述了(le)該模(mo)型：

　　將29個樣(yang)品的(de)測(ce)試組(zu)應用于測(ce)試總孔體積(ji)預(yu)測(ce)的(de)方程。預(yu)測(ce)值與參(can)考值的(de)一致(zhi)性良好(hao)。.04cm 3 g -平(ping)均絕對(dui)誤(wu)差和(he)13.4%的(de)平(ping)均相對(dui)誤(wu)差。表(biao)3給出了(le)模型的(de)統計參(can)數(shu)。

　　在本文(wen)中，我(wo)們展示了如(ru)何利用(yong)碘值和(he)(he)亞甲藍(lan)數來估(gu)計活性(xing)炭樣(yang)品的(de)(de)表面積、微孔體積和(he)(he)總孔體積。用(yong)于測定碘和(he)(he)亞甲藍(lan)數量的(de)(de)程序相對便(bian)宜和(he)(he)簡單(dan)，并且不需要使用(yong)復雜的(de)(de)設備(bei)。此外，開發的(de)(de)方(fang)(fang)法(fa)允許(xu)從(cong)亞甲基(ji)藍(lan)和(he)(he)碘吸附研究中提取(qu)比通常使用(yong)這種材料更多(duo)的(de)(de)信息。雖然這種方(fang)(fang)法(fa)不能取(qu)代活性(xing)炭的(de)(de)適當紋理特性(xing)，但對于沒有氣體吸附實驗設備(bei)的(de)(de)實驗室來說，非常有價值的(de)(de)。