估算活(huo)性炭表(biao)面積(ji)和(he)孔體(ti)積(ji)

　　活(huo)性(xing)(xing)炭(tan)是各種工藝中非常重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)多孔材(cai)料(liao)(liao)。活(huo)性(xing)(xing)炭(tan)的(de)(de)(de)主要(yao)用途是吸附氣相或液相中的(de)(de)(de)污染物，儲存氣體(ti) 并(bing)用作(zuo)催化(hua)劑(ji)載(zai)體(ti)。活(huo)性(xing)(xing)炭(tan)等(deng)多孔材(cai)料(liao)(liao)通(tong)常有(you)幾個物理(li)參數，如表面積(ji)和孔隙體(ti)積(ji)。在(zai)這(zhe)些(xie)(xie)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)開(kai)發中，滿足這(zhe)些(xie)(xie)物理(li)性(xing)(xing)能(neng)是非常重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)，因為它們將直接(jie)影響材(cai)料(liao)(liao)在(zai)其應用中的(de)(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)。

　　通常使用活性炭的(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)積(ji)(ji)(ji)(ji)BET液氮(dan)(dan)(dan)(dan)溫度(77)K)氮(dan)(dan)(dan)(dan)氣(qi)在(zai)不同壓(ya)力(li)下吸附。然后根據BET表(biao)(biao)面(mian)(mian)積(ji)(ji)(ji)(ji)由氮(dan)(dan)(dan)(dan)分(fen)子的(de)橫截(jie)面(mian)(mian)積(ji)(ji)(ji)(ji)、阿伏加德羅數和氮(dan)(dan)(dan)(dan)的(de)特定單層(ceng)容量的(de)乘積(ji)(ji)(ji)(ji)決定，由氮(dan)(dan)(dan)(dan)分(fen)子的(de)橫截(jie)面(mian)(mian)積(ji)(ji)(ji)(ji)決定BET進一步修改提出的(de)等(deng)式(shi)。氮(dan)(dan)(dan)(dan)吸附等(deng)溫線數據也用(yong)于測量孔(kong)(kong)體(ti)積(ji)(ji)(ji)(ji)。總(zong)孔(kong)(kong)體(ti)積(ji)(ji)(ji)(ji)根據*高相(xiang)對壓(ya)力(li)下吸附的(de)氮(dan)(dan)(dan)(dan)量進行(xing)估計(ji)，并(bing)使用(yong)Dubinin-Radushkevich微孔(kong)(kong)體(ti)積(ji)(ji)(ji)(ji)從氮(dan)(dan)(dan)(dan)吸附等(deng)溫線計(ji)算。雖然這些方(fang)法(fa)在(zai)多孔(kong)(kong)材(cai)料的(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)積(ji)(ji)(ji)(ji)和孔(kong)(kong)體(ti)積(ji)(ji)(ji)(ji)測定中被(bei)更多地用(yong)作(zuo)參考，但這些方(fang)法(fa)耗時(shi)且(qie)昂貴。

　　通(tong)過亞(ya)(ya)甲(jia)基藍、碘等不同(tong)吸(xi)(xi)附(fu)物的(de)(de)(de)(de)吸(xi)(xi)附(fu)特性(xing)(xing)，可以獲得更多關于(yu)活(huo)(huo)性(xing)(xing)炭結構的(de)(de)(de)(de)信息。這些分(fen)子的(de)(de)(de)(de)吸(xi)(xi)附(fu)料(liao)吸(xi)(xi)附(fu)能(neng)力的(de)(de)(de)(de)信息，這些分(fen)子的(de)(de)(de)(de)吸(xi)(xi)附(fu)實(shi)驗很容(rong)易和習慣性(xing)(xing)地(di)表示(shi)活(huo)(huo)性(xing)(xing)炭。根據(ju)亞(ya)(ya)甲(jia)基藍分(fen)子的(de)(de)(de)(de)大小(xiao)，它主要(yao)吸(xi)(xi)附(fu)在(zai)中孔(kong)中，但在(zai)較大的(de)(de)(de)(de)微孔(kong)中也發現了(le)(le)一小(xiao)部分(fen)。至于(yu)亞(ya)(ya)甲(jia)藍，碘分(fen)子尺寸(cun)較差，可以滲透到微孔(kong)中。這些特征賦(fu)予了(le)(le)這些分(fen)子在(zai)活(huo)(huo)性(xing)(xing)炭物理結構研究中探針的(de)(de)(de)(de)潛力。盡管(guan)如此，亞(ya)(ya)甲(jia)基藍與碘值的(de)(de)(de)(de)定量關系和活(huo)(huo)性(xing)(xing)炭的(de)(de)(de)(de)結構特性(xing)(xing)還(huan)沒(mei)有詳細研究。

　　本文(wen)的目的是證(zheng)明活性炭的表面(mian)積(ji)，微孔體(ti)積(ji)和總(zong)孔體(ti)積(ji)可(ke)以通(tong)過(guo)碘和亞(ya)甲基藍的數值進行多元(yuan)化回歸來估算。該(gai)方法(fa)是考慮從不(bu)同的前(qian)系統中提(ti)(ti)取的活性炭樣品和從文(wen)獻中提(ti)(ti)取的數據(ju)。

　　測試實驗開始：

　　活性炭樣品

　　方法開發了多種活性炭樣品的(de)表面積、微孔體(ti)積、總孔體(ti)積、碘值和(he)亞甲藍數量。

　　亞甲基(ji)藍(MBN)

　　亞(ya)甲藍數定(ding)義為1.0g吸(xi)附劑上(shang)吸(xi)附的染料*多(duo)。10..0毫克活性(xing)炭被(bei)置于與10.處理24小時不(bu)同(tong)濃度(10、25、50、100、250、500、1000毫克L亞(ya)甲藍溶液-1)，室溫下(約25℃)。使用UV / Vis分(fen)光光度計(Biosystems SP-2000)在645nm分(fen)析亞(ya)甲基藍的剩余濃度。

　　亞(ya)(ya)甲基藍液吸附的亞(ya)(ya)甲基藍量由(you)式1計算：

　　其中(zhong)C 0 (mg L -1)是開(kai)始時間(t = 0)亞甲基藍溶(rong)液(ye)(ye)(ye)的濃(nong)度，C e(mg L -1)平衡亞甲藍溶(rong)液(ye)(ye)(ye)的濃(nong)度，V(L)處(chu)理(li)溶(rong)液(ye)(ye)(ye)體積(ji)，M(g)是吸(xi)附劑(ji)的質(zhi)量。

　　為了確(que)定(ding)Langmuir模(mo)型的亞甲基藍數(shu)，使用C e的函(han)數(shu)作出q eq曲線。Langmuir參數(shu)(q max 和K L)通過*小二(er)乘(cheng)擬合回歸找(zhao)到(dao)。

　　碘值(IN)

　　碘(dian)值根據ASTM D4607-94方法測(ce)定(ding)(ding)。碘(dian)值定(ding)(ding)義為0.02N(0.02mol L -1)時(shi)，被(bei)1.0g碘(dian)的(de)(de)毫(hao)克數(shu)被(bei)碳(tan)吸附。該方法基(ji)于三點(dian)等(deng)(deng)溫線。標準(zhun)碘(dian)溶(rong)液(ye)在(zai)特定(ding)(ding)條件下用三種(zhong)不同(tong)重量的(de)(de)活性(xing)炭處理(li)(li)。實驗(yan)包括用10.0mL的(de)(de)5%HCl處理(li)(li)活性(xing)炭樣品。將混(hun)合物煮(zhu)30秒，然后(hou)冷卻(que)。不久(jiu)之后(hou)，將是100.0mL的(de)(de)0.1N(0.1mol L -1)將碘(dian)溶(rong)液(ye)加入混(hun)合物中，攪拌30秒。過濾所得溶(rong)液(ye)50.0毫(hao)升濾液(ye)滴定(ding)(ding)用0.1N(0.硫代(dai)硫酸鈉，1摩爾大號-1)，以淀粉為指示(shi)劑。每克碳(tan)吸附的(de)(de)碘(dian)量(X / M)相對濾液(ye)(C)用對數(shu)軸繪制中碘(dian)濃度。若殘留碘(dian)濃度(C)不在(zai)0.008-0.04 N(0.008-0.04 mol L -在(zai)1)范(fan)圍內(nei)，每個等(deng)(deng)溫點(dian)應使用不同(tong)的(de)(de)碳(tan)質重復(fu)整個過程(cheng)。*小二乘擬(ni)合回歸這(zhe)三點(dian)應用。碘(dian)值為殘留濃度(C)為0.02N(0.02mol L -1)時(shi)的(de)(de) X / M值。所述X / M和(he)C ^ 等(deng)(deng)式2和(he)3分別(bie)計算值。

　　其中(zhong)N I 是(shi)(shi)(shi)碘溶液的(de)當量(liang)濃度(du)，V I碘溶液的(de)添加量(liang)，V HCl是(shi)(shi)(shi)5%HCl加入體積(ji)，V F 是(shi)(shi)(shi)滴定(ding)中(zhong)使(shi)用的(de)濾(lv)液體積(ji)，N Na 2 S 2O 3 鈉(na)硫代(dai)硫酸(suan)鈉(na)溶液正常(chang)，V Na 2 S 2 O 3 是(shi)(shi)(shi)硫代(dai)硫酸(suan)鈉(na)溶液的(de)消(xiao)耗量(liang)，M C 是(shi)(shi)(shi)活性炭(tan)的(de)質量(liang)。

　　比表面積

　　在77K氮(dan)(dan)吸(xi)附(fu)試驗(yan)用儀(yi)器確定試樣的(de)比表面(mian)積(ji)。吸(xi)附(fu)測(ce)量前(qian)，樣品(pin)為180℃過夜(ye)放氣BET模型(xing)擬合氮(dan)(dan)吸(xi)附(fu)等溫線(xian)，評估樣品(pin)的(de)比表面(mian)積(ji)。

　　孔體積

　　氮吸附等(deng)溫線數(shu)據被(bei)用(yong)于估計測試(shi)樣品的(de)孔體積(ji)(ji)。總孔體積(ji)(ji)由相(xiang)對壓力為(wei)0.估計98氮吸附量。Dubinin-Radushkevich微孔體積(ji)(ji)從氮吸附等(deng)溫線計算。

　　多元回歸

　　KS該(gai)算(suan)法用(yong)(yong)于分離校準組和測試組中(zhong)的樣(yang)品。根據歐(ou)幾里德(de)幾里德(de)距離選(xuan)(xuan)擇(ze)樣(yang)本。前兩個樣(yang)本相(xiang)距*遠(yuan)。以下樣(yang)本是通(tong)過與之前選(xuan)(xuan)擇(ze)的樣(yang)本的距離來(lai)選(xuan)(xuan)擇(ze)的。校準組中(zhong)不同樣(yang)品量的校準。選(xuan)(xuan)擇(ze)校準中(zhong)使用(yong)(yong)的樣(yang)本數量來(lai)生成顯(xian)示測試組樣(yang)本的*小(xiao)(xiao)誤差模(mo)型。校準模(mo)型采(cai)用(yong)(yong)*小(xiao)(xiao)二乘(cheng)擬合，表面積由(you)亞甲基藍(lan)和碘值確定，總孔體(ti)積和微孔體(ti)積估計。Matlab用(yong)(yong)于計算(suan)程序的軟件。

　　結果分析：

　　*初(chu)建(jian)立表(biao)面圖，檢查活性炭樣品的表(biao)面積(ji)(ji)、總孔體積(ji)(ji)和(he)微孔體積(ji)(ji)與亞甲(jia)藍和(he)碘值之(zhi)間(jian)的關系。使(shi)用(yong)實驗部分引(yin)用(yong)的樣品的數據構(gou)建(jian)圖(圖1S，補充材料)。

　　在所有情(qing)況(kuang)下，亞(ya)甲(jia)基藍和(he)碘的(de)(de)數量隨著表(biao)面(mian)(mian)積(ji)和(he)孔(kong)體(ti)積(ji)的(de)(de)比(bi)例而(er)增加(jia)，這表(biao)明它們是(shi)測量這些性質的(de)(de)有趣探針。事(shi)實上，亞(ya)甲(jia)基藍分子的(de)(de)面(mian)(mian)積(ji)為15.08納米2，只能進入(ru)(ru)大微孔(kong)和(he)中孔(kong)。5碘分子面(mian)(mian)積(ji)小15 為0.4nm 并(bing)且可以進入(ru)(ru)較小的(de)(de)微孔(kong)。

　　表面積建模

　　使用(yong)二次模型(xing)來描(miao)(miao)述與(yu)表(biao)面積相比的(de)亞甲基(ji)藍和碘(dian)的(de)數量。對于模型(xing)開(kai)發，Kennard-Stone從105個樣本中選擇27個樣本進行校準。樣品表(biao)面積從199到(dao)2105 m 2 g -1不(bu)等(deng)。亞甲基(ji)藍的(de)數量在(zai)0到(dao)501毫克之間(jian)，碘(dian)值從155到(dao)1670毫克之間(jian)。建(jian)模后獲得的(de)表(biao)面擬合(圖1)由公(gong)式4描(miao)(miao)述。

　　考(kao)慮到我們(men)獲得的文獻和數據(ju)中的數據(ju)，通(tong)過(guo)該方程的表面積(ji)預測(ce)測(ce)試(shi)了(le)78個測(ce)試(shi)樣品。圖2顯示了(le)等式4預測(ce)的值(zhi)和實(shi)驗BET值(zhi)之間的比較(jiao)。

　　觀(guan)察值之間(jian)的良好(hao)相關(guan)性表明(ming)該(gai)模(mo)型具有(you)良好(hao)的預測能(neng)力(li)。測試(shi)樣(yang)品中觀(guan)察到的平(ping)均絕(jue)對(dui)誤(wu)差(cha)為77.8米2 克-1的平(ping)均相對(dui)誤(wu)差(cha)為11.8%。表1給(gei)出了(le)模(mo)型的統計參數(shu)。

　　據(ju)報道(dao)，碘(dian)值可通過每次吸附1mg碘(dian)的(de)(de)(de)表(biao)(biao)面積1m 為(wei)(wei)活(huo)性(xing)炭表(biao)(biao)面積提供關系。這一考(kao)慮是在(zai)本工(gong)作中(zhong)使(shi)(shi)用(yong)的(de)(de)(de)數據(ju)完成(cheng)的(de)(de)(de)，但(dan)誤(wu)差(cha)明(ming)顯高于(yu)使(shi)(shi)用(yong)等式4估計表(biao)(biao)面積時觀(guan)察(cha)到的(de)(de)(de)誤(wu)差(cha)。*小二乘法(fa)擬合只能考(kao)慮碘(dian)值，但(dan)誤(wu)差(cha)仍高于(yu)使(shi)(shi)用(yong)公(gong)式4時得到的(de)(de)(de)誤(wu)差(cha)。因此(ci)，碘(dian)值和亞甲基藍值對于(yu)估計活(huo)性(xing)炭的(de)(de)(de)表(biao)(biao)面積很重(zhong)要，因為(wei)(wei)這些材(cai)料有不同(tong)的(de)(de)(de)孔徑，可以(yi)根據(ju)孔隙(xi)幾何(he)結構由不同(tong)的(de)(de)(de)分子獲(huo)得。

　　微孔體積建模

　　微孔體積也用(yong)二(er)次模(mo)(mo)型(xing)描(miao)述為亞甲(jia)藍和碘值(zhi)的函數。該模(mo)(mo)型(xing)是(shi)在共(gong)50個樣本的幫助下建(jian)立起來的，其中包括KS校(xiao)準選擇了14個樣本。校(xiao)準范圍為0.05至(zhi)0.99cm 3 g -1.亞甲(jia)藍號-1和碘號從2到(dao)427毫克從195到(dao)1670毫克-1變化(hua)。建(jian)模(mo)(mo)導致表(biao)面擬合(he)(圖3)，由公式5描(miao)述:

　　該(gai)方程適用于微孔體積預測(ce)(ce)(ce)，評估包含文獻中的(de)(de)(de)數(shu)據和我們獲(huo)得(de)的(de)(de)(de)數(shu)據的(de)(de)(de)測(ce)(ce)(ce)試樣本。共(gong)測(ce)(ce)(ce)試了(le)36個樣本。圖形比較（圖4）表(biao)明該(gai)模(mo)型(xing)具有良好的(de)(de)(de)預測(ce)(ce)(ce)能力。測(ce)(ce)(ce)試樣品組的(de)(de)(de)平均絕對誤差(cha)為0.05cm 3 g -1.平均相(xiang)對誤差(cha)為16.4%。表(biao)2給出(chu)了(le)模(mo)型(xing)的(de)(de)(de)統(tong)計參數(shu)。

　　由于微孔的(de)尺寸優先考(kao)慮碘分子，碘值也(ye)直接通(tong)過*小二乘回歸與微孔體(ti)積相(xiang)關。然而，誤差高于考(kao)慮亞(ya)甲(jia)藍(lan)和碘值時的(de)誤差。這(zhe)表明亞(ya)甲(jia)藍(lan)對微孔體(ti)積預測有(you)一定的(de)貢獻，可能是由于大微孔的(de)吸(xi)附。

　　總孔體積建模

　　亞甲藍(lan)與碘(dian)值與總(zong)孔容(rong)之間的關系是通(tong)過線性模型建(jian)立的。Kennard-Stone從(cong)39中選擇的10個樣(yang)本對表面(mian)進(jin)行(xing)建(jian)模(圖5)。

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

　　將(jiang)29個樣品的測(ce)試組應用于測(ce)試總孔(kong)體積預測(ce)的方(fang)程。預測(ce)值與參(can)考值的一(yi)致性良好。.04cm 3 g -平(ping)均(jun)絕對(dui)誤(wu)差(cha)和13.4%的平(ping)均(jun)相對(dui)誤(wu)差(cha)。表3給出了模型的統(tong)計參(can)數。

　　在(zai)本文中(zhong)，我們展(zhan)示了(le)如何利用碘值和(he)(he)(he)(he)亞甲(jia)藍數來(lai)估計活性炭(tan)樣品(pin)的表(biao)面(mian)積、微(wei)孔(kong)體積和(he)(he)(he)(he)總孔(kong)體積。用于(yu)測定碘和(he)(he)(he)(he)亞甲(jia)藍數量的程(cheng)序(xu)相(xiang)對(dui)便宜和(he)(he)(he)(he)簡單，并且不需要使用復雜的設(she)備。此外，開發的方法允許從亞甲(jia)基藍和(he)(he)(he)(he)碘吸附(fu)研(yan)究中(zhong)提取比通常使用這(zhe)種材(cai)料更多的信息。雖然(ran)這(zhe)種方法不能取代活性炭(tan)的適當(dang)紋(wen)理(li)特性，但對(dui)于(yu)沒有(you)氣體吸附(fu)實驗設(she)備的實驗室(shi)來(lai)說，非(fei)常有(you)價值的。