估算活性(xing)炭表面(mian)積(ji)和孔體積(ji)

　　活(huo)性(xing)(xing)炭是各(ge)種工藝(yi)中(zhong)非(fei)常重要的(de)多(duo)孔材料(liao)。活(huo)性(xing)(xing)炭的(de)主要用途(tu)是吸附氣(qi)相或液(ye)相中(zhong)的(de)污(wu)染物(wu)，儲(chu)存(cun)氣(qi)體(ti) 并用作催化劑載體(ti)。活(huo)性(xing)(xing)炭等(deng)多(duo)孔材料(liao)通(tong)常有幾個物(wu)理參數，如表面積和孔隙體(ti)積。在(zai)這些材料(liao)的(de)開發中(zhong)，滿足這些物(wu)理性(xing)(xing)能(neng)是非(fei)常重要的(de)，因為它們將直接影響材料(liao)在(zai)其(qi)應用中(zhong)的(de)性(xing)(xing)能(neng)。

　　通常使用活性炭的(de)表面(mian)積(ji)(ji)(ji)(ji)BET液氮(dan)溫度(77)K)氮(dan)氣(qi)在不同(tong)壓(ya)力下吸(xi)附。然(ran)后根(gen)據BET表面(mian)積(ji)(ji)(ji)(ji)由(you)氮(dan)分子(zi)的(de)橫截面(mian)積(ji)(ji)(ji)(ji)、阿伏(fu)加德(de)羅數和氮(dan)的(de)特定(ding)(ding)(ding)單層容量的(de)乘積(ji)(ji)(ji)(ji)決(jue)定(ding)(ding)(ding)，由(you)氮(dan)分子(zi)的(de)橫截面(mian)積(ji)(ji)(ji)(ji)決(jue)定(ding)(ding)(ding)BET進一(yi)步修(xiu)改提(ti)出的(de)等式。氮(dan)吸(xi)附等溫線數據也用(yong)于測量孔(kong)體積(ji)(ji)(ji)(ji)。總孔(kong)體積(ji)(ji)(ji)(ji)根(gen)據*高相對壓(ya)力下吸(xi)附的(de)氮(dan)量進行(xing)估計，并(bing)使用(yong)Dubinin-Radushkevich微孔(kong)體積(ji)(ji)(ji)(ji)從氮(dan)吸(xi)附等溫線計算。雖然(ran)這些(xie)方法在多孔(kong)材料的(de)表面(mian)積(ji)(ji)(ji)(ji)和孔(kong)體積(ji)(ji)(ji)(ji)測定(ding)(ding)(ding)中(zhong)被更多地(di)用(yong)作參考(kao)，但這些(xie)方法耗時且昂貴。

　　通過亞(ya)(ya)甲(jia)基藍(lan)、碘等不同(tong)吸(xi)附物的(de)(de)吸(xi)附特(te)(te)性，可(ke)以獲(huo)得(de)更(geng)多關于(yu)活(huo)(huo)性炭結(jie)構的(de)(de)信(xin)息。這(zhe)些(xie)(xie)分(fen)子(zi)的(de)(de)吸(xi)附料(liao)吸(xi)附能力的(de)(de)信(xin)息，這(zhe)些(xie)(xie)分(fen)子(zi)的(de)(de)吸(xi)附實驗很容易和習慣性地表示活(huo)(huo)性炭。根據亞(ya)(ya)甲(jia)基藍(lan)分(fen)子(zi)的(de)(de)大小，它(ta)主(zhu)要吸(xi)附在(zai)中(zhong)孔(kong)中(zhong)，但在(zai)較大的(de)(de)微孔(kong)中(zhong)也發現(xian)了一小部分(fen)。至于(yu)亞(ya)(ya)甲(jia)藍(lan)，碘分(fen)子(zi)尺(chi)寸較差(cha)，可(ke)以滲(shen)透到微孔(kong)中(zhong)。這(zhe)些(xie)(xie)特(te)(te)征賦予了這(zhe)些(xie)(xie)分(fen)子(zi)在(zai)活(huo)(huo)性炭物理結(jie)構研究中(zhong)探針的(de)(de)潛力。盡(jin)管如(ru)此，亞(ya)(ya)甲(jia)基藍(lan)與碘值的(de)(de)定量關系和活(huo)(huo)性炭的(de)(de)結(jie)構特(te)(te)性還(huan)沒有詳細(xi)研究。

　　本文的(de)目的(de)是證明活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)的(de)表面積，微孔體積和總孔體積可以通(tong)過碘和亞甲基藍的(de)數值(zhi)進(jin)行多元化回(hui)歸來(lai)估算。該(gai)方法是考慮從(cong)不(bu)同的(de)前系(xi)統(tong)中(zhong)提取(qu)的(de)活(huo)(huo)性(xing)炭(tan)樣(yang)品和從(cong)文獻中(zhong)提取(qu)的(de)數據。

　　測試實驗開始：

　　活性炭樣品

　　方(fang)法開(kai)發了多種(zhong)活性炭樣(yang)品的(de)表面積、微孔(kong)體(ti)積、總孔(kong)體(ti)積、碘值(zhi)和亞甲藍(lan)數(shu)量。

　　亞甲基藍(MBN)

　　亞甲藍數定義(yi)為(wei)1.0g吸附劑上吸附的染料(liao)*多。10..0毫克(ke)活性炭被(bei)置于與10.處理(li)24小(xiao)時不同濃度(du)(du)(10、25、50、100、250、500、1000毫克(ke)L亞甲藍溶液(ye)-1)，室溫下(約(yue)25℃)。使用UV / Vis分光(guang)光(guang)度(du)(du)計(Biosystems SP-2000)在(zai)645nm分析亞甲基(ji)藍的剩余濃度(du)(du)。

　　亞甲基藍液吸(xi)附的亞甲基藍量由式1計算：

　　其(qi)中C 0 (mg L -1)是開始時間(t = 0)亞(ya)甲基藍(lan)溶液(ye)的(de)濃度，C e(mg L -1)平衡亞(ya)甲藍(lan)溶液(ye)的(de)濃度，V(L)處理溶液(ye)體(ti)積，M(g)是吸附劑的(de)質量。

　　為了確定(ding)Langmuir模型的亞甲基(ji)藍數，使用C e的函數作(zuo)出q eq曲線。Langmuir參(can)數(q max 和K L)通(tong)過*小二乘擬合回歸(gui)找到。

　　碘值(IN)

　　碘(dian)(dian)值根(gen)據ASTM D4607-94方法(fa)測定。碘(dian)(dian)值定義為(wei)0.02N(0.02mol L -1)時，被1.0g碘(dian)(dian)的毫克數(shu)被碳吸附。該方法(fa)基于三點等(deng)溫(wen)(wen)線(xian)。標準碘(dian)(dian)溶液(ye)(ye)(ye)在特(te)定條(tiao)件下用三種不同重(zhong)量的活性炭處理。實驗包括用10.0mL的5%HCl處理活性炭樣品。將(jiang)(jiang)混(hun)合(he)(he)物煮30秒，然后冷卻。不久之后，將(jiang)(jiang)是(shi)100.0mL的0.1N(0.1mol L -1)將(jiang)(jiang)碘(dian)(dian)溶液(ye)(ye)(ye)加入混(hun)合(he)(he)物中，攪拌30秒。過(guo)(guo)濾所得(de)溶液(ye)(ye)(ye)50.0毫升濾液(ye)(ye)(ye)滴定用0.1N(0.硫代硫酸鈉，1摩爾大號-1)，以(yi)淀粉為(wei)指示(shi)劑。每克碳吸附的碘(dian)(dian)量(X / M)相對濾液(ye)(ye)(ye)(C)用對數(shu)軸繪制中碘(dian)(dian)濃(nong)度。若(ruo)殘(can)留碘(dian)(dian)濃(nong)度(C)不在0.008-0.04 N(0.008-0.04 mol L -在1)范圍內，每個(ge)等(deng)溫(wen)(wen)點應使用不同的碳質重(zhong)復整個(ge)過(guo)(guo)程。*小二(er)乘擬(ni)合(he)(he)回歸(gui)這三點應用。碘(dian)(dian)值為(wei)殘(can)留濃(nong)度(C)為(wei)0.02N(0.02mol L -1)時的 X / M值。所述X / M和(he)C ^ 等(deng)式2和(he)3分別計(ji)算值。

　　其中N I 是(shi)(shi)碘溶(rong)液(ye)的(de)當(dang)量濃(nong)度，V I碘溶(rong)液(ye)的(de)添加(jia)量，V HCl是(shi)(shi)5%HCl加(jia)入(ru)體積(ji)，V F 是(shi)(shi)滴(di)定(ding)中使用的(de)濾液(ye)體積(ji)，N Na 2 S 2O 3 鈉(na)(na)硫(liu)代(dai)硫(liu)酸鈉(na)(na)溶(rong)液(ye)正常，V Na 2 S 2 O 3 是(shi)(shi)硫(liu)代(dai)硫(liu)酸鈉(na)(na)溶(rong)液(ye)的(de)消耗量，M C 是(shi)(shi)活性炭的(de)質量。

　　比表面積

　　在77K氮吸(xi)附試驗用儀器確定(ding)試樣(yang)的比(bi)表面(mian)積。吸(xi)附測量前(qian)，樣(yang)品為180℃過夜放氣BET模型擬(ni)合氮吸(xi)附等(deng)溫線，評估樣(yang)品的比(bi)表面(mian)積。

　　孔體積

　　氮吸附(fu)等(deng)溫線(xian)數據(ju)被用于(yu)估計測試樣品的(de)孔體積(ji)。總孔體積(ji)由相對壓力為0.估計98氮吸附(fu)量。Dubinin-Radushkevich微孔體積(ji)從氮吸附(fu)等(deng)溫線(xian)計算(suan)。

　　多元回歸

　　KS該算法(fa)用于(yu)分離校準組(zu)和(he)(he)測試(shi)組(zu)中的樣(yang)(yang)品(pin)。根(gen)據歐幾里德(de)幾里德(de)距離選(xuan)(xuan)(xuan)擇樣(yang)(yang)本(ben)(ben)。前兩個樣(yang)(yang)本(ben)(ben)相距*遠(yuan)。以下(xia)樣(yang)(yang)本(ben)(ben)是通過與之前選(xuan)(xuan)(xuan)擇的樣(yang)(yang)本(ben)(ben)的距離來選(xuan)(xuan)(xuan)擇的。校準組(zu)中不(bu)同(tong)樣(yang)(yang)品(pin)量的校準。選(xuan)(xuan)(xuan)擇校準中使用的樣(yang)(yang)本(ben)(ben)數量來生(sheng)成顯示測試(shi)組(zu)樣(yang)(yang)本(ben)(ben)的*小誤(wu)差(cha)模型。校準模型采用*小二乘擬合，表面(mian)積由亞甲基藍和(he)(he)碘(dian)值確定，總孔體積和(he)(he)微(wei)孔體積估(gu)計(ji)。Matlab用于(yu)計(ji)算程序的軟(ruan)件。

　　結果分析：

　　*初建(jian)立(li)表(biao)面(mian)圖，檢查活性炭樣品(pin)的表(biao)面(mian)積、總孔體積和(he)微孔體積與亞甲(jia)藍和(he)碘(dian)值之間的關系。使(shi)用實驗部分(fen)引用的樣品(pin)的數據構建(jian)圖(圖1S，補(bu)充(chong)材料)。

　　在所有情況下，亞甲基(ji)(ji)藍(lan)和碘的(de)數量(liang)隨著表面積和孔(kong)體積的(de)比(bi)例而增(zeng)加，這表明它們是測量(liang)這些性質(zhi)的(de)有趣(qu)探針。事實上(shang)，亞甲基(ji)(ji)藍(lan)分子的(de)面積為(wei)15.08納米(mi)2，只能進入大微孔(kong)和中(zhong)孔(kong)。5碘分子面積小(xiao)15 為(wei)0.4nm 并(bing)且可以(yi)進入較小(xiao)的(de)微孔(kong)。

　　表面積建模

　　使用二(er)次(ci)模型(xing)來(lai)描述與(yu)表面(mian)積(ji)相(xiang)比的(de)亞甲基藍和碘的(de)數量。對于(yu)模型(xing)開發，Kennard-Stone從(cong)105個樣(yang)本中(zhong)選擇27個樣(yang)本進行校準。樣(yang)品表面(mian)積(ji)從(cong)199到(dao)2105 m 2 g -1不等。亞甲基藍的(de)數量在0到(dao)501毫克(ke)之間，碘值從(cong)155到(dao)1670毫克(ke)之間。建模后獲得(de)的(de)表面(mian)擬合(圖(tu)1)由公式4描述。

　　考(kao)慮到(dao)我們獲得的(de)文獻和數(shu)據(ju)中的(de)數(shu)據(ju)，通(tong)過該方程的(de)表面積(ji)預測(ce)測(ce)試(shi)了78個測(ce)試(shi)樣品。圖2顯示(shi)了等式4預測(ce)的(de)值和實驗(yan)BET值之間的(de)比較。

　　觀察(cha)值之間的(de)良好相(xiang)(xiang)關性表明該模型具有良好的(de)預測能力。測試樣品中觀察(cha)到的(de)平均(jun)(jun)絕對(dui)誤差為(wei)77.8米2 克(ke)-1的(de)平均(jun)(jun)相(xiang)(xiang)對(dui)誤差為(wei)11.8%。表1給出了模型的(de)統計參(can)數。

　　據(ju)報道，碘(dian)值可通過每次吸附1mg碘(dian)的(de)表(biao)(biao)面積1m 為(wei)活性(xing)炭(tan)表(biao)(biao)面積提供關系(xi)。這(zhe)一考慮(lv)是在(zai)本工作中(zhong)使用的(de)數據(ju)完成的(de)，但誤(wu)(wu)差(cha)明顯高(gao)于(yu)(yu)使用等式(shi)4估計(ji)表(biao)(biao)面積時觀(guan)察到的(de)誤(wu)(wu)差(cha)。*小(xiao)二乘法(fa)擬(ni)合只能(neng)考慮(lv)碘(dian)值，但誤(wu)(wu)差(cha)仍高(gao)于(yu)(yu)使用公(gong)式(shi)4時得到的(de)誤(wu)(wu)差(cha)。因(yin)此，碘(dian)值和亞甲基藍值對于(yu)(yu)估計(ji)活性(xing)炭(tan)的(de)表(biao)(biao)面積很重要(yao)，因(yin)為(wei)這(zhe)些(xie)材料有不同(tong)(tong)的(de)孔(kong)徑，可以根據(ju)孔(kong)隙幾何結(jie)構由不同(tong)(tong)的(de)分子獲得。

　　微孔體積建模

　　微(wei)孔體積(ji)也用二次模型描述為亞甲(jia)藍和(he)碘值的函(han)數(shu)。該模型是在共(gong)50個樣本的幫助下建立(li)起來的，其中包(bao)括KS校(xiao)準(zhun)選擇了14個樣本。校(xiao)準(zhun)范圍為0.05至0.99cm 3 g -1.亞甲(jia)藍號-1和(he)碘號從2到(dao)427毫克(ke)從195到(dao)1670毫克(ke)-1變(bian)化。建模導致(zhi)表面擬合(圖(tu)3)，由(you)公式5描述:

　　該方(fang)程適用于微孔體積預測(ce)，評(ping)估包(bao)含文獻中的(de)數(shu)據和(he)我們獲得的(de)數(shu)據的(de)測(ce)試樣本(ben)。共測(ce)試了36個樣本(ben)。圖(tu)形比較(jiao)（圖(tu)4）表明該模型具有良好的(de)預測(ce)能(neng)力(li)。測(ce)試樣品組(zu)的(de)平均絕對(dui)誤(wu)差為(wei)0.05cm 3 g -1.平均相對(dui)誤(wu)差為(wei)16.4%。表2給出了模型的(de)統計(ji)參(can)數(shu)。

　　由于微(wei)孔的(de)尺寸優先考(kao)慮(lv)碘(dian)(dian)分子，碘(dian)(dian)值也直接通過*小(xiao)二乘回(hui)歸與(yu)微(wei)孔體積(ji)相(xiang)關。然而，誤差高于考(kao)慮(lv)亞甲藍(lan)和碘(dian)(dian)值時(shi)的(de)誤差。這(zhe)表(biao)明亞甲藍(lan)對微(wei)孔體積(ji)預測(ce)有一定(ding)的(de)貢獻，可能是由于大微(wei)孔的(de)吸(xi)附。

　　總孔體積建模

　　亞甲藍與(yu)(yu)碘值與(yu)(yu)總孔容之間的關系是通過線性模型(xing)建立的。Kennard-Stone從(cong)39中選擇的10個(ge)樣本對表面(mian)進行建模(圖5)。

　　校準范圍被認為(wei)是0.09到1.11 cm 3 g -1.碘號從195到1294毫克-1和(he)2到427毫克變化的亞(ya)甲基藍數字-1。公式(shi)6描述(shu)了該模型：

　　將29個樣品的(de)(de)(de)測(ce)試組應用于測(ce)試總孔體(ti)積預(yu)測(ce)的(de)(de)(de)方程(cheng)。預(yu)測(ce)值與參考值的(de)(de)(de)一致(zhi)性良(liang)好。.04cm 3 g -平均絕(jue)對(dui)誤差(cha)和13.4%的(de)(de)(de)平均相對(dui)誤差(cha)。表3給(gei)出了模型的(de)(de)(de)統計參數(shu)。

　　在本文中(zhong)，我們展示(shi)了如何利用(yong)碘(dian)值(zhi)和(he)亞(ya)(ya)甲(jia)藍數來(lai)估計活(huo)性炭(tan)(tan)樣品的(de)表面積、微(wei)孔體(ti)積和(he)總孔體(ti)積。用(yong)于測(ce)定(ding)碘(dian)和(he)亞(ya)(ya)甲(jia)藍數量的(de)程序相對便(bian)宜和(he)簡單，并且不(bu)需要使(shi)用(yong)復雜(za)的(de)設(she)備(bei)。此外，開(kai)發(fa)的(de)方法(fa)允許從亞(ya)(ya)甲(jia)基(ji)藍和(he)碘(dian)吸附(fu)(fu)研究中(zhong)提取比通(tong)常使(shi)用(yong)這種材料更(geng)多的(de)信(xin)息。雖然這種方法(fa)不(bu)能取代(dai)活(huo)性炭(tan)(tan)的(de)適(shi)當紋理特性，但對于沒(mei)有氣體(ti)吸附(fu)(fu)實(shi)驗(yan)設(she)備(bei)的(de)實(shi)驗(yan)室來(lai)說，非常有價值(zhi)的(de)。