估算活性炭表面積和孔體積

　　活性(xing)炭是各種工(gong)藝中非常重(zhong)要(yao)的(de)(de)多孔材(cai)料。活性(xing)炭的(de)(de)主要(yao)用途(tu)是吸附氣(qi)相或(huo)液相中的(de)(de)污染物(wu)(wu)，儲(chu)存(cun)氣(qi)體 并用作催(cui)化劑載體。活性(xing)炭等多孔材(cai)料通常有(you)幾個物(wu)(wu)理(li)(li)參數，如表面積和孔隙體積。在這些材(cai)料的(de)(de)開發中，滿足這些物(wu)(wu)理(li)(li)性(xing)能(neng)是非常重(zhong)要(yao)的(de)(de)，因為它們(men)將直接影(ying)響材(cai)料在其應用中的(de)(de)性(xing)能(neng)。

　　通常使用活性炭的(de)(de)(de)(de)表面(mian)積(ji)(ji)BET液氮(dan)(dan)溫(wen)(wen)(wen)度(77)K)氮(dan)(dan)氣在不(bu)同壓(ya)力下吸附(fu)。然(ran)(ran)后根據(ju)BET表面(mian)積(ji)(ji)由氮(dan)(dan)分子的(de)(de)(de)(de)橫截面(mian)積(ji)(ji)、阿伏加德羅數(shu)和氮(dan)(dan)的(de)(de)(de)(de)特定單層容量的(de)(de)(de)(de)乘積(ji)(ji)決(jue)定，由氮(dan)(dan)分子的(de)(de)(de)(de)橫截面(mian)積(ji)(ji)決(jue)定BET進(jin)(jin)一步修改提出的(de)(de)(de)(de)等式。氮(dan)(dan)吸附(fu)等溫(wen)(wen)(wen)線數(shu)據(ju)也用于(yu)測量孔(kong)體(ti)(ti)(ti)積(ji)(ji)。總孔(kong)體(ti)(ti)(ti)積(ji)(ji)根據(ju)*高相(xiang)對(dui)壓(ya)力下吸附(fu)的(de)(de)(de)(de)氮(dan)(dan)量進(jin)(jin)行估計(ji)，并使用Dubinin-Radushkevich微孔(kong)體(ti)(ti)(ti)積(ji)(ji)從氮(dan)(dan)吸附(fu)等溫(wen)(wen)(wen)線計(ji)算。雖然(ran)(ran)這(zhe)些(xie)方法在多孔(kong)材料的(de)(de)(de)(de)表面(mian)積(ji)(ji)和孔(kong)體(ti)(ti)(ti)積(ji)(ji)測定中被更多地(di)用作參考，但這(zhe)些(xie)方法耗時且昂貴。

　　通過亞甲(jia)基藍(lan)(lan)、碘(dian)(dian)等不同吸附(fu)(fu)物(wu)的(de)(de)吸附(fu)(fu)特(te)性(xing)，可以獲(huo)得更多關(guan)于活(huo)性(xing)炭結構(gou)(gou)的(de)(de)信(xin)息(xi)。這些(xie)分(fen)子(zi)的(de)(de)吸附(fu)(fu)料吸附(fu)(fu)能(neng)力(li)的(de)(de)信(xin)息(xi)，這些(xie)分(fen)子(zi)的(de)(de)吸附(fu)(fu)實驗很(hen)容(rong)易和習慣性(xing)地表(biao)示活(huo)性(xing)炭。根據亞甲(jia)基藍(lan)(lan)分(fen)子(zi)的(de)(de)大小，它主要吸附(fu)(fu)在(zai)中孔(kong)中，但在(zai)較大的(de)(de)微孔(kong)中也發現了一小部分(fen)。至于亞甲(jia)藍(lan)(lan)，碘(dian)(dian)分(fen)子(zi)尺寸(cun)較差(cha)，可以滲透到(dao)微孔(kong)中。這些(xie)特(te)征賦(fu)予了這些(xie)分(fen)子(zi)在(zai)活(huo)性(xing)炭物(wu)理結構(gou)(gou)研究中探針的(de)(de)潛力(li)。盡管如此(ci)，亞甲(jia)基藍(lan)(lan)與(yu)碘(dian)(dian)值的(de)(de)定量(liang)關(guan)系和活(huo)性(xing)炭的(de)(de)結構(gou)(gou)特(te)性(xing)還(huan)沒有詳細(xi)研究。

　　本文(wen)的目(mu)的是(shi)證明活性炭的表面積(ji)，微孔體(ti)積(ji)和總孔體(ti)積(ji)可以通過碘和亞甲基藍的數值進(jin)行多(duo)元化回(hui)歸(gui)來(lai)估算。該方(fang)法是(shi)考慮從不(bu)同的前(qian)系(xi)統中提取的活性炭樣(yang)品和從文(wen)獻中提取的數據。

　　測試實驗開始：

　　活性炭樣品

　　方法開發了多種活性(xing)炭樣品的表面積、微(wei)孔體(ti)積、總孔體(ti)積、碘值和亞甲藍數量。

　　亞(ya)甲(jia)基(ji)藍(MBN)

　　亞甲藍數(shu)定(ding)義為1.0g吸(xi)附(fu)劑上吸(xi)附(fu)的(de)染料(liao)*多(duo)。10..0毫克(ke)活性炭被置于與10.處理24小時不同(tong)濃(nong)度(10、25、50、100、250、500、1000毫克(ke)L亞甲藍溶液(ye)-1)，室(shi)溫下(約(yue)25℃)。使用UV / Vis分光光度計(Biosystems SP-2000)在645nm分析(xi)亞甲基藍的(de)剩余濃(nong)度。

　　亞(ya)(ya)甲(jia)基(ji)藍(lan)(lan)液吸附的亞(ya)(ya)甲(jia)基(ji)藍(lan)(lan)量由(you)式1計算：

　　其中C 0 (mg L -1)是開始時間(t = 0)亞甲基藍溶(rong)(rong)液的(de)濃(nong)度(du)，C e(mg L -1)平(ping)衡亞甲藍溶(rong)(rong)液的(de)濃(nong)度(du)，V(L)處理(li)溶(rong)(rong)液體積，M(g)是吸附劑的(de)質量。

　　為了(le)確定Langmuir模型的亞甲基藍數，使用C e的函數作出q eq曲(qu)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)值(zhi)根據ASTM D4607-94方(fang)法測定。碘(dian)(dian)值(zhi)定義為(wei)(wei)0.02N(0.02mol L -1)時(shi)，被(bei)(bei)1.0g碘(dian)(dian)的(de)(de)毫克數被(bei)(bei)碳(tan)吸(xi)附(fu)。該(gai)方(fang)法基于(yu)三點(dian)等(deng)溫(wen)(wen)線。標準碘(dian)(dian)溶(rong)液(ye)在(zai)特定條(tiao)件下(xia)用三種不同重量的(de)(de)活性(xing)(xing)炭(tan)處(chu)理。實驗包括用10.0mL的(de)(de)5%HCl處(chu)理活性(xing)(xing)炭(tan)樣品(pin)。將(jiang)混(hun)合(he)(he)物煮30秒，然(ran)后冷卻。不久之(zhi)后，將(jiang)是100.0mL的(de)(de)0.1N(0.1mol L -1)將(jiang)碘(dian)(dian)溶(rong)液(ye)加入混(hun)合(he)(he)物中(zhong)，攪拌30秒。過濾所得溶(rong)液(ye)50.0毫升濾液(ye)滴定用0.1N(0.硫代硫酸鈉，1摩(mo)爾大(da)號-1)，以淀粉(fen)為(wei)(wei)指示(shi)劑(ji)。每(mei)(mei)克碳(tan)吸(xi)附(fu)的(de)(de)碘(dian)(dian)量(X / M)相對(dui)濾液(ye)(C)用對(dui)數軸繪制中(zhong)碘(dian)(dian)濃度(du)。若(ruo)殘留碘(dian)(dian)濃度(du)(C)不在(zai)0.008-0.04 N(0.008-0.04 mol L -在(zai)1)范(fan)圍內，每(mei)(mei)個等(deng)溫(wen)(wen)點(dian)應使用不同的(de)(de)碳(tan)質重復整個過程。*小二乘擬合(he)(he)回歸這三點(dian)應用。碘(dian)(dian)值(zhi)為(wei)(wei)殘留濃度(du)(C)為(wei)(wei)0.02N(0.02mol L -1)時(shi)的(de)(de) X / M值(zhi)。所述X / M和(he)C ^ 等(deng)式2和(he)3分別計算值(zhi)。

　　其(qi)中(zhong)N I 是(shi)碘(dian)溶(rong)液的(de)(de)當(dang)量濃度，V I碘(dian)溶(rong)液的(de)(de)添加(jia)(jia)量，V HCl是(shi)5%HCl加(jia)(jia)入體積(ji)，V F 是(shi)滴定(ding)中(zhong)使用的(de)(de)濾液體積(ji)，N Na 2 S 2O 3 鈉硫代(dai)硫酸(suan)鈉溶(rong)液正(zheng)常，V Na 2 S 2 O 3 是(shi)硫代(dai)硫酸(suan)鈉溶(rong)液的(de)(de)消耗量，M C 是(shi)活性炭的(de)(de)質(zhi)量。

　　比表面積

　　在(zai)77K氮吸(xi)附試驗用儀(yi)器確定試樣(yang)的(de)(de)比表面積(ji)。吸(xi)附測(ce)量前(qian)，樣(yang)品為180℃過夜放氣BET模型擬合氮吸(xi)附等溫線，評估樣(yang)品的(de)(de)比表面積(ji)。

　　孔體積

　　氮(dan)吸(xi)附(fu)(fu)等溫(wen)線(xian)(xian)數據(ju)被用(yong)于估計測試樣品的(de)孔體(ti)積。總孔體(ti)積由相對壓(ya)力(li)為0.估計98氮(dan)吸(xi)附(fu)(fu)量。Dubinin-Radushkevich微孔體(ti)積從氮(dan)吸(xi)附(fu)(fu)等溫(wen)線(xian)(xian)計算。

　　多元回歸

　　KS該算(suan)法用于(yu)分(fen)離校準(zhun)組和(he)(he)測試組中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)樣(yang)品(pin)。根據歐幾(ji)里(li)德幾(ji)里(li)德距(ju)離選擇樣(yang)本(ben)(ben)。前(qian)兩個(ge)樣(yang)本(ben)(ben)相距(ju)*遠。以下樣(yang)本(ben)(ben)是通(tong)過與之前(qian)選擇的(de)(de)(de)樣(yang)本(ben)(ben)的(de)(de)(de)距(ju)離來(lai)選擇的(de)(de)(de)。校準(zhun)組中(zhong)(zhong)不同(tong)樣(yang)品(pin)量(liang)的(de)(de)(de)校準(zhun)。選擇校準(zhun)中(zhong)(zhong)使用的(de)(de)(de)樣(yang)本(ben)(ben)數量(liang)來(lai)生成顯示測試組樣(yang)本(ben)(ben)的(de)(de)(de)*小誤差模(mo)型(xing)。校準(zhun)模(mo)型(xing)采(cai)用*小二(er)乘(cheng)擬合，表(biao)面積由亞甲基藍和(he)(he)碘(dian)值確(que)定，總孔(kong)體(ti)積和(he)(he)微孔(kong)體(ti)積估計(ji)。Matlab用于(yu)計(ji)算(suan)程序的(de)(de)(de)軟件。

　　結果分析：

　　*初建立(li)表面(mian)圖(tu)，檢查活性炭樣(yang)品(pin)的(de)(de)表面(mian)積(ji)、總孔體積(ji)和(he)微(wei)孔體積(ji)與亞甲(jia)藍和(he)碘值(zhi)之間的(de)(de)關系。使用實(shi)驗(yan)部(bu)分引用的(de)(de)樣(yang)品(pin)的(de)(de)數(shu)據構建圖(tu)(圖(tu)1S，補充材料)。

　　在(zai)所(suo)有(you)情況(kuang)下，亞(ya)甲(jia)基(ji)藍和碘的(de)數量(liang)隨著表(biao)面(mian)積(ji)和孔(kong)體積(ji)的(de)比例而增加，這表(biao)明(ming)它們是測量(liang)這些性質的(de)有(you)趣探針。事(shi)實上，亞(ya)甲(jia)基(ji)藍分子(zi)的(de)面(mian)積(ji)為15.08納米2，只能進(jin)(jin)入大微孔(kong)和中(zhong)孔(kong)。5碘分子(zi)面(mian)積(ji)小15 為0.4nm 并且(qie)可以進(jin)(jin)入較(jiao)小的(de)微孔(kong)。

　　表面積建模

　　使用二次模型來描(miao)述與表面(mian)積相比的(de)(de)亞甲基藍和碘的(de)(de)數(shu)量。對于模型開發，Kennard-Stone從(cong)105個樣本(ben)中選擇27個樣本(ben)進行(xing)校準。樣品(pin)表面(mian)積從(cong)199到2105 m 2 g -1不等(deng)。亞甲基藍的(de)(de)數(shu)量在0到501毫克之間(jian)，碘值從(cong)155到1670毫克之間(jian)。建(jian)模后獲得的(de)(de)表面(mian)擬合(圖1)由公式4描(miao)述。

　　考慮到我們獲得的文獻和(he)數(shu)據中的數(shu)據，通(tong)過該(gai)方程的表面積預(yu)測(ce)測(ce)試(shi)了78個測(ce)試(shi)樣品。圖2顯(xian)示了等式4預(yu)測(ce)的值和(he)實(shi)驗BET值之間的比較。

　　觀察值之(zhi)間的(de)良好(hao)相關性表明(ming)該模型具有良好(hao)的(de)預(yu)測能力(li)。測試樣(yang)品中觀察到(dao)的(de)平(ping)均(jun)絕(jue)對誤(wu)差為77.8米2 克(ke)-1的(de)平(ping)均(jun)相對誤(wu)差為11.8%。表1給出了(le)模型的(de)統(tong)計參數。

　　據報(bao)道，碘值(zhi)(zhi)可通過每次吸(xi)附1mg碘的表(biao)(biao)面積1m 為活(huo)性炭(tan)表(biao)(biao)面積提供關(guan)系。這一考(kao)慮是在本工作(zuo)中(zhong)使用的數據完成的，但誤(wu)差(cha)(cha)明顯高于使用等式4估計(ji)表(biao)(biao)面積時觀察到的誤(wu)差(cha)(cha)。*小二乘法(fa)擬(ni)合(he)只能考(kao)慮碘值(zhi)(zhi)，但誤(wu)差(cha)(cha)仍高于使用公式4時得到的誤(wu)差(cha)(cha)。因此(ci)，碘值(zhi)(zhi)和亞甲基藍值(zhi)(zhi)對于估計(ji)活(huo)性炭(tan)的表(biao)(biao)面積很重(zhong)要，因為這些(xie)材料有不同的孔徑，可以(yi)根據孔隙幾何結構(gou)由不同的分子獲得。

　　微孔體積建模

　　微(wei)孔(kong)體積也用二次模(mo)型描述(shu)為(wei)亞甲藍(lan)和碘(dian)值(zhi)的(de)(de)函(han)數。該模(mo)型是在共50個(ge)樣本的(de)(de)幫助(zhu)下建立起(qi)來(lai)的(de)(de)，其中包括KS校準(zhun)選(xuan)擇(ze)了14個(ge)樣本。校準(zhun)范圍為(wei)0.05至0.99cm 3 g -1.亞甲藍(lan)號(hao)-1和碘(dian)號(hao)從(cong)2到(dao)427毫克從(cong)195到(dao)1670毫克-1變化。建模(mo)導致表面擬合(圖(tu)3)，由公式(shi)5描述(shu):

　　該(gai)方(fang)程(cheng)適用于微孔體積預測，評(ping)估(gu)包含文獻中的(de)數(shu)據(ju)和我(wo)們獲(huo)得的(de)數(shu)據(ju)的(de)測試樣(yang)本。共測試了36個樣(yang)本。圖形(xing)比較(jiao)（圖4）表(biao)明(ming)該(gai)模型具(ju)有良(liang)好的(de)預測能力。測試樣(yang)品組的(de)平均(jun)絕對誤(wu)差(cha)為0.05cm 3 g -1.平均(jun)相對誤(wu)差(cha)為16.4%。表(biao)2給出了模型的(de)統(tong)計(ji)參(can)數(shu)。

　　由(you)于(yu)微孔的尺寸(cun)優先考慮(lv)碘(dian)分子，碘(dian)值(zhi)也直接通過(guo)*小二乘回歸與微孔體積相關。然(ran)而，誤(wu)差(cha)高(gao)于(yu)考慮(lv)亞(ya)甲(jia)藍(lan)和碘(dian)值(zhi)時的誤(wu)差(cha)。這表明亞(ya)甲(jia)藍(lan)對微孔體積預測有一定(ding)的貢獻，可能是由(you)于(yu)大(da)微孔的吸(xi)附。

　　總孔體積建模

　　亞(ya)甲藍(lan)與(yu)碘值與(yu)總孔容之間(jian)的關系是通過線性(xing)模(mo)型(xing)建立(li)的。Kennard-Stone從(cong)39中選(xuan)擇的10個樣本對表(biao)面進行建模(mo)(圖5)。

　　校(xiao)準(zhun)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(jia)基藍數字(zi)-1。公式6描述了(le)該模(mo)型：

　　將(jiang)29個樣品的測試組應用于測試總孔體積預測的方程。預測值與參(can)考(kao)值的一致性良(liang)好。.04cm 3 g -平(ping)均絕(jue)對誤差(cha)(cha)和13.4%的平(ping)均相對誤差(cha)(cha)。表3給出了模型的統計(ji)參(can)數。

　　在本文中，我們展示了如何利用碘值(zhi)和亞(ya)甲(jia)藍數來估計活性(xing)(xing)炭(tan)樣品(pin)的(de)表面(mian)積(ji)、微孔體(ti)積(ji)和總孔體(ti)積(ji)。用于測定碘和亞(ya)甲(jia)藍數量的(de)程序相對(dui)(dui)便宜和簡單，并(bing)且不需要使用復(fu)雜的(de)設(she)備。此外(wai)，開(kai)發的(de)方法允(yun)許從亞(ya)甲(jia)基藍和碘吸(xi)附研(yan)究中提(ti)取比(bi)通常(chang)(chang)使用這(zhe)種(zhong)材料(liao)更多(duo)的(de)信息。雖然這(zhe)種(zhong)方法不能(neng)取代(dai)活性(xing)(xing)炭(tan)的(de)適當(dang)紋理(li)特(te)性(xing)(xing)，但對(dui)(dui)于沒有(you)氣體(ti)吸(xi)附實驗設(she)備的(de)實驗室來說(shuo)，非(fei)常(chang)(chang)有(you)價值(zhi)的(de)。