估算活性炭表面積和(he)孔體積

　　活性炭(tan)是各種工藝中(zhong)非(fei)常重要(yao)的(de)多(duo)孔材料。活性炭(tan)的(de)主(zhu)要(yao)用途是吸附(fu)氣(qi)相(xiang)或液相(xiang)中(zhong)的(de)污染(ran)物(wu)，儲存氣(qi)體(ti) 并用作(zuo)催化劑載體(ti)。活性炭(tan)等多(duo)孔材料通常有幾個物(wu)理參數，如表面積和孔隙體(ti)積。在(zai)這些材料的(de)開發中(zhong)，滿足這些物(wu)理性能(neng)是非(fei)常重要(yao)的(de)，因為它們將(jiang)直接(jie)影(ying)響材料在(zai)其應(ying)用中(zhong)的(de)性能(neng)。

　　通常使用活性炭的(de)表面(mian)(mian)積BET液氮(dan)溫度(77)K)氮(dan)氣(qi)在(zai)不同壓力下(xia)吸附(fu)。然(ran)后根(gen)據BET表面(mian)(mian)積由氮(dan)分(fen)子(zi)的(de)橫(heng)(heng)截面(mian)(mian)積、阿(a)伏(fu)加德羅數(shu)和氮(dan)的(de)特定單層容量(liang)的(de)乘(cheng)積決定，由氮(dan)分(fen)子(zi)的(de)橫(heng)(heng)截面(mian)(mian)積決定BET進一步修改提(ti)出(chu)的(de)等式。氮(dan)吸附(fu)等溫線數(shu)據也(ye)用(yong)(yong)于測量(liang)孔體積。總(zong)孔體積根(gen)據*高相對壓力下(xia)吸附(fu)的(de)氮(dan)量(liang)進行估計(ji)，并使用(yong)(yong)Dubinin-Radushkevich微(wei)孔體積從氮(dan)吸附(fu)等溫線計(ji)算(suan)。雖然(ran)這(zhe)些方法在(zai)多(duo)孔材(cai)料的(de)表面(mian)(mian)積和孔體積測定中被更(geng)多(duo)地用(yong)(yong)作(zuo)參考，但這(zhe)些方法耗時且昂貴。

　　通(tong)過亞甲基藍(lan)、碘等不(bu)同吸(xi)附物的(de)(de)吸(xi)附特(te)(te)性，可以獲得更多關于活性炭結(jie)(jie)構的(de)(de)信(xin)息(xi)。這(zhe)些(xie)分子的(de)(de)吸(xi)附料吸(xi)附能(neng)力的(de)(de)信(xin)息(xi)，這(zhe)些(xie)分子的(de)(de)吸(xi)附實(shi)驗很容易(yi)和習慣性地(di)表示活性炭。根據亞甲基藍(lan)分子的(de)(de)大(da)(da)小(xiao)(xiao)，它主要吸(xi)附在中孔中，但在較(jiao)大(da)(da)的(de)(de)微(wei)孔中也發現了(le)一小(xiao)(xiao)部分。至于亞甲藍(lan)，碘分子尺寸(cun)較(jiao)差，可以滲透到微(wei)孔中。這(zhe)些(xie)特(te)(te)征(zheng)賦予了(le)這(zhe)些(xie)分子在活性炭物理結(jie)(jie)構研究(jiu)中探(tan)針的(de)(de)潛力。盡管如此，亞甲基藍(lan)與碘值(zhi)的(de)(de)定(ding)量(liang)關系和活性炭的(de)(de)結(jie)(jie)構特(te)(te)性還沒有詳細(xi)研究(jiu)。

　　本文的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)是證(zheng)明活性(xing)炭(tan)的(de)(de)(de)表(biao)面積(ji)，微(wei)孔(kong)體積(ji)和總(zong)孔(kong)體積(ji)可以通過碘(dian)和亞甲基(ji)藍的(de)(de)(de)數值進(jin)行(xing)多(duo)元(yuan)化回歸(gui)來估(gu)算(suan)。該方(fang)法是考慮從(cong)不同的(de)(de)(de)前系統(tong)中(zhong)提取的(de)(de)(de)活性(xing)炭(tan)樣品(pin)和從(cong)文獻中(zhong)提取的(de)(de)(de)數據(ju)。

　　測試實驗開始：

　　活性炭樣品

　　方法開發了多種(zhong)活性炭樣品的表(biao)面(mian)積(ji)、微孔體(ti)(ti)積(ji)、總孔體(ti)(ti)積(ji)、碘值(zhi)和(he)亞(ya)甲藍(lan)數量。

　　亞甲(jia)基藍(MBN)

　　亞甲藍數定義(yi)為1.0g吸附劑上吸附的(de)染料*多。10..0毫(hao)克活性炭被置于(yu)與10.處理24小時(shi)不同濃度(du)(10、25、50、100、250、500、1000毫(hao)克L亞甲藍溶液(ye)-1)，室溫下(約25℃)。使用(yong)UV / Vis分光(guang)光(guang)度(du)計(Biosystems SP-2000)在645nm分析亞甲基藍的(de)剩(sheng)余濃度(du)。

　　亞甲基藍液吸(xi)附的亞甲基藍量由式1計算：

　　其中(zhong)C 0 (mg L -1)是開始時間(t = 0)亞甲基藍(lan)溶液的(de)濃(nong)度，C e(mg L -1)平衡亞甲藍(lan)溶液的(de)濃(nong)度，V(L)處理溶液體積(ji)，M(g)是吸附劑(ji)的(de)質量(liang)。

　　為了確定Langmuir模型的(de)亞甲基(ji)藍數，使用C e的(de)函數作出(chu)q eq曲線。Langmuir參(can)數(q max 和K L)通過*小(xiao)二乘擬合回歸找到。

　　碘值(IN)

　　碘(dian)(dian)值(zhi)根據ASTM D4607-94方法測定(ding)。碘(dian)(dian)值(zhi)定(ding)義為(wei)0.02N(0.02mol L -1)時(shi)，被(bei)1.0g碘(dian)(dian)的(de)(de)毫(hao)克數被(bei)碳(tan)吸附。該方法基(ji)于三(san)點等(deng)溫線。標準碘(dian)(dian)溶液(ye)在特定(ding)條(tiao)件下用三(san)種不(bu)同(tong)重量(liang)的(de)(de)活性(xing)炭(tan)處(chu)理。實驗包括(kuo)用10.0mL的(de)(de)5%HCl處(chu)理活性(xing)炭(tan)樣品。將(jiang)混合物煮30秒，然后(hou)冷卻。不(bu)久之后(hou)，將(jiang)是100.0mL的(de)(de)0.1N(0.1mol L -1)將(jiang)碘(dian)(dian)溶液(ye)加入混合物中，攪拌(ban)30秒。過濾所得溶液(ye)50.0毫(hao)升濾液(ye)滴(di)定(ding)用0.1N(0.硫代硫酸鈉(na)，1摩爾大號-1)，以淀粉為(wei)指示(shi)劑。每(mei)克碳(tan)吸附的(de)(de)碘(dian)(dian)量(liang)(X / M)相對濾液(ye)(C)用對數軸繪制(zhi)中碘(dian)(dian)濃(nong)度。若殘留(liu)碘(dian)(dian)濃(nong)度(C)不(bu)在0.008-0.04 N(0.008-0.04 mol L -在1)范圍(wei)內，每(mei)個等(deng)溫點應使用不(bu)同(tong)的(de)(de)碳(tan)質重復整個過程。*小二乘擬(ni)合回歸這三(san)點應用。碘(dian)(dian)值(zhi)為(wei)殘留(liu)濃(nong)度(C)為(wei)0.02N(0.02mol L -1)時(shi)的(de)(de) X / M值(zhi)。所述(shu)X / M和C ^ 等(deng)式2和3分別計算值(zhi)。

　　其(qi)中N I 是碘(dian)溶液(ye)(ye)的當量(liang)濃度(du)，V I碘(dian)溶液(ye)(ye)的添加量(liang)，V HCl是5%HCl加入體積，V F 是滴定中使用的濾液(ye)(ye)體積，N Na 2 S 2O 3 鈉硫代(dai)硫酸鈉溶液(ye)(ye)正常，V Na 2 S 2 O 3 是硫代(dai)硫酸鈉溶液(ye)(ye)的消(xiao)耗(hao)量(liang)，M C 是活性炭的質量(liang)。

　　比表面積

　　在(zai)77K氮吸(xi)附(fu)試驗用(yong)儀器確定試樣(yang)的比(bi)表(biao)(biao)面積。吸(xi)附(fu)測量(liang)前(qian)，樣(yang)品為180℃過夜放氣BET模型(xing)擬合氮吸(xi)附(fu)等(deng)溫線，評(ping)估樣(yang)品的比(bi)表(biao)(biao)面積。

　　孔體積

　　氮吸(xi)(xi)附(fu)等(deng)溫線數據被用(yong)于估計(ji)測試樣品的孔體積。總孔體積由(you)相對壓(ya)力為0.估計(ji)98氮吸(xi)(xi)附(fu)量。Dubinin-Radushkevich微孔體積從氮吸(xi)(xi)附(fu)等(deng)溫線計(ji)算。

　　多元回歸

　　KS該算(suan)(suan)法(fa)用(yong)于(yu)分(fen)離校準組(zu)和測試組(zu)中(zhong)的(de)樣(yang)(yang)(yang)品。根據(ju)歐(ou)幾里德(de)幾里德(de)距(ju)離選擇(ze)樣(yang)(yang)(yang)本(ben)。前兩個樣(yang)(yang)(yang)本(ben)相距(ju)*遠。以下樣(yang)(yang)(yang)本(ben)是通過與之前選擇(ze)的(de)樣(yang)(yang)(yang)本(ben)的(de)距(ju)離來選擇(ze)的(de)。校準組(zu)中(zhong)不同樣(yang)(yang)(yang)品量的(de)校準。選擇(ze)校準中(zhong)使用(yong)的(de)樣(yang)(yang)(yang)本(ben)數量來生成顯示測試組(zu)樣(yang)(yang)(yang)本(ben)的(de)*小誤差模(mo)型。校準模(mo)型采(cai)用(yong)*小二乘擬合，表面積由亞甲基藍和碘值確定，總孔體積和微(wei)孔體積估計。Matlab用(yong)于(yu)計算(suan)(suan)程序的(de)軟件。

　　結果分析：

　　*初建立表面(mian)圖(tu)，檢(jian)查活(huo)性(xing)炭樣品的(de)(de)表面(mian)積(ji)、總孔體積(ji)和微(wei)孔體積(ji)與亞甲藍(lan)和碘值之間的(de)(de)關系。使用實驗部分引用的(de)(de)樣品的(de)(de)數據(ju)構建圖(tu)(圖(tu)1S，補(bu)充材(cai)料)。

　　在所有情況下，亞甲基(ji)藍(lan)和碘的(de)數(shu)量隨著表面積和孔(kong)體(ti)積的(de)比例(li)而增加，這(zhe)表明它們是測量這(zhe)些性質的(de)有趣探(tan)針(zhen)。事(shi)實上(shang)，亞甲基(ji)藍(lan)分(fen)子的(de)面積為(wei)15.08納米2，只能進入(ru)大微孔(kong)和中孔(kong)。5碘分(fen)子面積小(xiao)15 為(wei)0.4nm 并且可以進入(ru)較小(xiao)的(de)微孔(kong)。

　　表面積建模

　　使用二次模型來描述與表(biao)面積(ji)相比的亞(ya)(ya)甲基(ji)藍和碘的數(shu)量(liang)。對于模型開發，Kennard-Stone從105個樣本(ben)中選擇27個樣本(ben)進行校準(zhun)。樣品表(biao)面積(ji)從199到2105 m 2 g -1不等(deng)。亞(ya)(ya)甲基(ji)藍的數(shu)量(liang)在0到501毫(hao)(hao)克之間，碘值從155到1670毫(hao)(hao)克之間。建模后獲得的表(biao)面擬合(圖1)由公(gong)式4描述。

　　考慮到我們獲得的文(wen)獻和數據中的數據，通過該(gai)方(fang)程的表面積預(yu)(yu)測測試了78個測試樣品。圖(tu)2顯示了等(deng)式4預(yu)(yu)測的值和實驗BET值之間的比較。

　　觀(guan)察(cha)值之間的(de)良好相(xiang)(xiang)關性(xing)表(biao)明(ming)該(gai)模型具有良好的(de)預(yu)測能力。測試(shi)樣品(pin)中觀(guan)察(cha)到的(de)平均(jun)絕(jue)對誤差為77.8米2 克-1的(de)平均(jun)相(xiang)(xiang)對誤差為11.8%。表(biao)1給出了模型的(de)統計參數(shu)。

　　據報道，碘值(zhi)可(ke)通過每(mei)次吸附1mg碘的(de)(de)表(biao)面(mian)積(ji)(ji)1m 為(wei)活(huo)性炭(tan)表(biao)面(mian)積(ji)(ji)提供關系。這一考(kao)慮是在本工作(zuo)中使用的(de)(de)數據完成(cheng)的(de)(de)，但誤差明顯高(gao)于(yu)(yu)使用等(deng)式4估計(ji)表(biao)面(mian)積(ji)(ji)時觀察到的(de)(de)誤差。*小二(er)乘(cheng)法(fa)擬合只(zhi)能考(kao)慮碘值(zhi)，但誤差仍高(gao)于(yu)(yu)使用公式4時得到的(de)(de)誤差。因此，碘值(zhi)和亞甲(jia)基藍值(zhi)對(dui)于(yu)(yu)估計(ji)活(huo)性炭(tan)的(de)(de)表(biao)面(mian)積(ji)(ji)很重要(yao)，因為(wei)這些材料(liao)有不同(tong)的(de)(de)孔徑(jing)，可(ke)以根據孔隙(xi)幾何結構由不同(tong)的(de)(de)分子獲(huo)得。

　　微孔體積建模

　　微孔(kong)體積也用二次模型描(miao)述為亞甲(jia)藍(lan)和(he)(he)碘值的函數(shu)。該模型是在共50個樣本(ben)的幫助下建立起來的，其中包(bao)括(kuo)KS校準選擇了(le)14個樣本(ben)。校準范圍為0.05至(zhi)0.99cm 3 g -1.亞甲(jia)藍(lan)號(hao)-1和(he)(he)碘號(hao)從(cong)(cong)2到427毫(hao)克從(cong)(cong)195到1670毫(hao)克-1變化。建模導致表面擬合(圖(tu)3)，由公式5描(miao)述:

　　該方程適用于微(wei)孔(kong)體積預測(ce)(ce)(ce)，評估包含文獻中(zhong)的(de)(de)(de)數據(ju)和(he)我們(men)獲(huo)得(de)的(de)(de)(de)數據(ju)的(de)(de)(de)測(ce)(ce)(ce)試樣(yang)本(ben)。共測(ce)(ce)(ce)試了36個(ge)樣(yang)本(ben)。圖形(xing)比較（圖4）表(biao)明(ming)該模(mo)型具有良好的(de)(de)(de)預測(ce)(ce)(ce)能力。測(ce)(ce)(ce)試樣(yang)品組的(de)(de)(de)平均(jun)絕對誤差(cha)為0.05cm 3 g -1.平均(jun)相對誤差(cha)為16.4%。表(biao)2給出了模(mo)型的(de)(de)(de)統計參(can)數。

　　由于微(wei)(wei)孔(kong)的(de)尺寸優先考(kao)慮碘(dian)分子，碘(dian)值也直接通過*小二乘(cheng)回歸與微(wei)(wei)孔(kong)體(ti)積(ji)相關。然(ran)而(er)，誤差高于考(kao)慮亞(ya)甲(jia)藍和碘(dian)值時(shi)的(de)誤差。這(zhe)表明亞(ya)甲(jia)藍對微(wei)(wei)孔(kong)體(ti)積(ji)預測有一定的(de)貢獻，可能是由于大微(wei)(wei)孔(kong)的(de)吸附。

　　總孔體積建模

　　亞甲藍(lan)與(yu)碘值與(yu)總孔容(rong)之間的(de)關系是通過線性(xing)模型建(jian)(jian)立的(de)。Kennard-Stone從39中選擇的(de)10個(ge)樣本對表(biao)面進(jin)行(xing)建(jian)(jian)模(圖5)。

　　校準范(fan)圍被(bei)認為是0.09到1.11 cm 3 g -1.碘號從195到1294毫(hao)克(ke)-1和(he)2到427毫(hao)克(ke)變(bian)化的(de)亞甲(jia)基藍(lan)數字-1。公式6描述了該模型：

　　將(jiang)29個樣(yang)品的(de)測(ce)試(shi)(shi)組應用于測(ce)試(shi)(shi)總(zong)孔體積預測(ce)的(de)方程。預測(ce)值與參考值的(de)一致性良好。.04cm 3 g -平均絕對誤差(cha)和13.4%的(de)平均相對誤差(cha)。表3給出了模型的(de)統計參數(shu)。

　　在本文中，我們展(zhan)示了(le)如何利用碘值和亞(ya)甲(jia)藍數來估(gu)計(ji)活性炭樣(yang)品的(de)(de)表面積(ji)、微孔體積(ji)和總孔體積(ji)。用于(yu)測定碘和亞(ya)甲(jia)藍數量的(de)(de)程序相對便宜和簡單，并且不需要使(shi)(shi)用復雜的(de)(de)設備(bei)。此外，開發(fa)的(de)(de)方法允許從亞(ya)甲(jia)基(ji)藍和碘吸(xi)附(fu)研(yan)究中提取比(bi)通常(chang)使(shi)(shi)用這種材(cai)料更多的(de)(de)信息。雖然這種方法不能取代(dai)活性炭的(de)(de)適當紋理特性，但對于(yu)沒有(you)氣(qi)體吸(xi)附(fu)實(shi)驗設備(bei)的(de)(de)實(shi)驗室來說，非常(chang)有(you)價值的(de)(de)。