估算活性炭表面積(ji)和孔體積(ji)

　　活性炭(tan)(tan)是(shi)各種工藝中(zhong)(zhong)非常重要的多(duo)孔材(cai)(cai)料(liao)。活性炭(tan)(tan)的主(zhu)要用途是(shi)吸附氣相(xiang)或(huo)液(ye)相(xiang)中(zhong)(zhong)的污染(ran)物(wu)，儲存氣體(ti) 并用作催化劑載體(ti)。活性炭(tan)(tan)等多(duo)孔材(cai)(cai)料(liao)通常有幾個物(wu)理參數，如(ru)表面積和(he)孔隙體(ti)積。在這些材(cai)(cai)料(liao)的開發中(zhong)(zhong)，滿足這些物(wu)理性能(neng)是(shi)非常重要的，因(yin)為它們將直接影響材(cai)(cai)料(liao)在其(qi)應用中(zhong)(zhong)的性能(neng)。

　　通常使用活性炭的(de)(de)(de)(de)表(biao)面積BET液氮(dan)溫(wen)(wen)度(77)K)氮(dan)氣在不同(tong)壓力(li)下(xia)吸(xi)附。然(ran)后根據BET表(biao)面積由(you)氮(dan)分(fen)(fen)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)橫截(jie)面積、阿伏加德羅數和(he)(he)氮(dan)的(de)(de)(de)(de)特定單(dan)層容(rong)量的(de)(de)(de)(de)乘積決定，由(you)氮(dan)分(fen)(fen)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)橫截(jie)面積決定BET進一步(bu)修改提出的(de)(de)(de)(de)等(deng)式。氮(dan)吸(xi)附等(deng)溫(wen)(wen)線數據也(ye)用于(yu)測量孔(kong)體(ti)積。總孔(kong)體(ti)積根據*高相對壓力(li)下(xia)吸(xi)附的(de)(de)(de)(de)氮(dan)量進行估計(ji)，并(bing)使用Dubinin-Radushkevich微孔(kong)體(ti)積從氮(dan)吸(xi)附等(deng)溫(wen)(wen)線計(ji)算。雖然(ran)這(zhe)些方法在多孔(kong)材料的(de)(de)(de)(de)表(biao)面積和(he)(he)孔(kong)體(ti)積測定中被更多地用作(zuo)參考，但(dan)這(zhe)些方法耗時且昂貴。

　　通過亞甲(jia)基(ji)藍、碘等不同吸(xi)附(fu)(fu)(fu)物的(de)吸(xi)附(fu)(fu)(fu)特性(xing)，可(ke)以獲(huo)得更多關于活(huo)性(xing)炭(tan)結(jie)構(gou)的(de)信(xin)息(xi)。這(zhe)(zhe)(zhe)些(xie)分(fen)子(zi)(zi)(zi)的(de)吸(xi)附(fu)(fu)(fu)料吸(xi)附(fu)(fu)(fu)能力的(de)信(xin)息(xi)，這(zhe)(zhe)(zhe)些(xie)分(fen)子(zi)(zi)(zi)的(de)吸(xi)附(fu)(fu)(fu)實驗很(hen)容易和習慣性(xing)地表示活(huo)性(xing)炭(tan)。根(gen)據亞甲(jia)基(ji)藍分(fen)子(zi)(zi)(zi)的(de)大小，它主要(yao)吸(xi)附(fu)(fu)(fu)在(zai)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)孔(kong)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)，但在(zai)較大的(de)微孔(kong)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)也發現了一小部分(fen)。至于亞甲(jia)藍，碘分(fen)子(zi)(zi)(zi)尺寸較差，可(ke)以滲透到微孔(kong)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)。這(zhe)(zhe)(zhe)些(xie)特征賦予了這(zhe)(zhe)(zhe)些(xie)分(fen)子(zi)(zi)(zi)在(zai)活(huo)性(xing)炭(tan)物理結(jie)構(gou)研(yan)究中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)探(tan)針的(de)潛(qian)力。盡管如(ru)此，亞甲(jia)基(ji)藍與碘值的(de)定量(liang)關系和活(huo)性(xing)炭(tan)的(de)結(jie)構(gou)特性(xing)還沒有詳細研(yan)究。

　　本文的(de)目(mu)的(de)是證(zheng)明活(huo)性(xing)炭的(de)表面(mian)積(ji)，微孔(kong)體(ti)積(ji)和(he)(he)總孔(kong)體(ti)積(ji)可以通(tong)過碘和(he)(he)亞甲基藍的(de)數值(zhi)進行多元化回(hui)歸來估算。該方法是考慮從不同的(de)前系統中提取的(de)活(huo)性(xing)炭樣品和(he)(he)從文獻中提取的(de)數據(ju)。

　　測試實驗開始：

　　活性炭樣品

　　方法(fa)開發了多種(zhong)活性炭樣品的表面積、微孔(kong)體(ti)積、總孔(kong)體(ti)積、碘(dian)值和亞甲(jia)藍(lan)數(shu)量(liang)。

　　亞甲基藍(MBN)

　　亞(ya)甲(jia)藍數定義為1.0g吸(xi)附劑上(shang)吸(xi)附的染料*多。10..0毫克活性(xing)炭被置于與10.處理24小時(shi)不同濃(nong)度(10、25、50、100、250、500、1000毫克L亞(ya)甲(jia)藍溶(rong)液-1)，室(shi)溫下(約25℃)。使(shi)用UV / Vis分光光度計(ji)(Biosystems SP-2000)在645nm分析亞(ya)甲(jia)基藍的剩余(yu)濃(nong)度。

　　亞甲(jia)基藍液吸(xi)附(fu)的亞甲(jia)基藍量由式1計算(suan)：

　　其(qi)中C 0 (mg L -1)是開(kai)始時間(t = 0)亞(ya)甲(jia)基(ji)藍溶液(ye)的(de)(de)濃度，C e(mg L -1)平衡亞(ya)甲(jia)藍溶液(ye)的(de)(de)濃度，V(L)處理溶液(ye)體積，M(g)是吸(xi)附劑的(de)(de)質量(liang)。

　　為了確定Langmuir模(mo)型的亞甲基藍數，使用C e的函數作出q eq曲線。Langmuir參數(q max 和K L)通過*小二乘擬(ni)合回歸找到。

　　碘值(IN)

　　碘(dian)(dian)(dian)值(zhi)(zhi)根據ASTM D4607-94方(fang)法測(ce)定。碘(dian)(dian)(dian)值(zhi)(zhi)定義為0.02N(0.02mol L -1)時(shi)，被1.0g碘(dian)(dian)(dian)的(de)(de)毫克(ke)數被碳(tan)吸附(fu)。該方(fang)法基(ji)于三(san)點等溫線。標準碘(dian)(dian)(dian)溶液(ye)(ye)(ye)(ye)在(zai)特定條件下(xia)用(yong)(yong)三(san)種不同(tong)重量(liang)的(de)(de)活性炭處(chu)理。實驗包括用(yong)(yong)10.0mL的(de)(de)5%HCl處(chu)理活性炭樣品。將混(hun)合(he)物(wu)煮(zhu)30秒，然后(hou)冷卻。不久(jiu)之后(hou)，將是100.0mL的(de)(de)0.1N(0.1mol L -1)將碘(dian)(dian)(dian)溶液(ye)(ye)(ye)(ye)加入混(hun)合(he)物(wu)中，攪拌(ban)30秒。過濾(lv)所得溶液(ye)(ye)(ye)(ye)50.0毫升濾(lv)液(ye)(ye)(ye)(ye)滴定用(yong)(yong)0.1N(0.硫代硫酸鈉，1摩爾大(da)號(hao)-1)，以淀粉為指示劑。每(mei)克(ke)碳(tan)吸附(fu)的(de)(de)碘(dian)(dian)(dian)量(liang)(X / M)相對濾(lv)液(ye)(ye)(ye)(ye)(C)用(yong)(yong)對數軸(zhou)繪制中碘(dian)(dian)(dian)濃(nong)度。若殘留(liu)碘(dian)(dian)(dian)濃(nong)度(C)不在(zai)0.008-0.04 N(0.008-0.04 mol L -在(zai)1)范圍(wei)內，每(mei)個等溫點應(ying)使用(yong)(yong)不同(tong)的(de)(de)碳(tan)質重復整個過程。*小(xiao)二乘擬(ni)合(he)回歸這(zhe)三(san)點應(ying)用(yong)(yong)。碘(dian)(dian)(dian)值(zhi)(zhi)為殘留(liu)濃(nong)度(C)為0.02N(0.02mol L -1)時(shi)的(de)(de) X / M值(zhi)(zhi)。所述(shu)X / M和(he)C ^ 等式2和(he)3分別(bie)計(ji)算值(zhi)(zhi)。

　　其(qi)中N I 是碘溶液(ye)(ye)的當量(liang)濃度，V I碘溶液(ye)(ye)的添加量(liang)，V HCl是5%HCl加入體積，V F 是滴(di)定中使用的濾液(ye)(ye)體積，N Na 2 S 2O 3 鈉硫(liu)代(dai)硫(liu)酸(suan)鈉溶液(ye)(ye)正常(chang)，V Na 2 S 2 O 3 是硫(liu)代(dai)硫(liu)酸(suan)鈉溶液(ye)(ye)的消耗量(liang)，M C 是活性(xing)炭的質量(liang)。

　　比表面積

　　在77K氮(dan)吸附試驗用儀器確(que)定試樣的(de)比表(biao)面積(ji)。吸附測量前，樣品(pin)為180℃過夜放氣BET模型擬合氮(dan)吸附等溫線，評(ping)估樣品(pin)的(de)比表(biao)面積(ji)。

　　孔體積

　　氮吸(xi)附等溫(wen)線(xian)數據被用于估計測試(shi)樣品的孔體(ti)(ti)(ti)積。總孔體(ti)(ti)(ti)積由相對壓力(li)為0.估計98氮吸(xi)附量。Dubinin-Radushkevich微孔體(ti)(ti)(ti)積從氮吸(xi)附等溫(wen)線(xian)計算。

　　多元回歸

　　KS該算法用(yong)于(yu)分離(li)(li)校準組和測(ce)試組中(zhong)的(de)樣(yang)品(pin)。根據(ju)歐幾里德(de)幾里德(de)距離(li)(li)選(xuan)(xuan)(xuan)擇(ze)樣(yang)本(ben)(ben)。前(qian)兩個樣(yang)本(ben)(ben)相距*遠。以(yi)下樣(yang)本(ben)(ben)是(shi)通(tong)過與(yu)之前(qian)選(xuan)(xuan)(xuan)擇(ze)的(de)樣(yang)本(ben)(ben)的(de)距離(li)(li)來(lai)選(xuan)(xuan)(xuan)擇(ze)的(de)。校準組中(zhong)不同(tong)樣(yang)品(pin)量的(de)校準。選(xuan)(xuan)(xuan)擇(ze)校準中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)樣(yang)本(ben)(ben)數(shu)量來(lai)生成顯(xian)示測(ce)試組樣(yang)本(ben)(ben)的(de)*小(xiao)(xiao)誤(wu)差模型(xing)。校準模型(xing)采用(yong)*小(xiao)(xiao)二乘擬(ni)合，表面積(ji)由亞甲基藍和碘值確定，總(zong)孔體積(ji)和微孔體積(ji)估計。Matlab用(yong)于(yu)計算程序的(de)軟件。

　　結果分析：

　　*初建(jian)立表面圖，檢查活性炭樣品(pin)的(de)表面積、總孔(kong)體(ti)積和微孔(kong)體(ti)積與(yu)亞甲藍和碘值之間的(de)關系。使用實(shi)驗部(bu)分引用的(de)樣品(pin)的(de)數據構建(jian)圖(圖1S，補充材(cai)料(liao))。

　　在所有情況下，亞甲(jia)基藍和(he)碘的(de)(de)(de)(de)數量(liang)隨著表面(mian)積和(he)孔體積的(de)(de)(de)(de)比例而增加，這(zhe)表明(ming)它們是測量(liang)這(zhe)些性質(zhi)的(de)(de)(de)(de)有趣探針。事實上，亞甲(jia)基藍分子的(de)(de)(de)(de)面(mian)積為15.08納(na)米(mi)2，只能進(jin)入大微孔和(he)中孔。5碘分子面(mian)積小(xiao)(xiao)15 為0.4nm 并且(qie)可以進(jin)入較小(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)(de)微孔。

　　表面積建模

　　使(shi)用(yong)二次模(mo)(mo)型來(lai)描述與表面(mian)積相(xiang)比的亞(ya)甲基藍和碘(dian)的數量(liang)。對于模(mo)(mo)型開發，Kennard-Stone從105個樣(yang)本中選擇27個樣(yang)本進行校準。樣(yang)品表面(mian)積從199到(dao)2105 m 2 g -1不等。亞(ya)甲基藍的數量(liang)在0到(dao)501毫(hao)(hao)克之間，碘(dian)值從155到(dao)1670毫(hao)(hao)克之間。建模(mo)(mo)后(hou)獲得的表面(mian)擬合(圖1)由(you)公(gong)式4描述。

　　考慮到(dao)我們獲得的文獻和(he)數(shu)據(ju)(ju)中的數(shu)據(ju)(ju)，通過該方程(cheng)的表面積預測(ce)測(ce)試(shi)了(le)78個測(ce)試(shi)樣品(pin)。圖2顯示了(le)等式4預測(ce)的值(zhi)和(he)實驗BET值(zhi)之間的比較。

　　觀(guan)察值之間(jian)的良(liang)好(hao)相關性表(biao)明該模型(xing)具有良(liang)好(hao)的預(yu)測能(neng)力(li)。測試樣品(pin)中觀(guan)察到的平(ping)(ping)均絕(jue)對誤(wu)(wu)差為77.8米2 克(ke)-1的平(ping)(ping)均相對誤(wu)(wu)差為11.8%。表(biao)1給出了模型(xing)的統計參(can)數(shu)。

　　據(ju)(ju)報道，碘(dian)值(zhi)可通過每次吸附1mg碘(dian)的表(biao)(biao)面(mian)(mian)積(ji)1m 為(wei)活(huo)性炭(tan)表(biao)(biao)面(mian)(mian)積(ji)提(ti)供關系。這一考(kao)慮是在本工作(zuo)中(zhong)使(shi)(shi)用的數據(ju)(ju)完成的，但(dan)誤(wu)(wu)(wu)差明(ming)顯(xian)高于(yu)使(shi)(shi)用等式4估計表(biao)(biao)面(mian)(mian)積(ji)時觀察(cha)到的誤(wu)(wu)(wu)差。*小二乘法擬(ni)合只(zhi)能(neng)考(kao)慮碘(dian)值(zhi)，但(dan)誤(wu)(wu)(wu)差仍(reng)高于(yu)使(shi)(shi)用公式4時得(de)到的誤(wu)(wu)(wu)差。因此，碘(dian)值(zhi)和(he)亞甲基(ji)藍值(zhi)對于(yu)估計活(huo)性炭(tan)的表(biao)(biao)面(mian)(mian)積(ji)很重要，因為(wei)這些材料有(you)不(bu)同的孔徑，可以(yi)根據(ju)(ju)孔隙(xi)幾何結構由不(bu)同的分子獲得(de)。

　　微孔體積建模

　　微孔體積也用二(er)次模型(xing)描述(shu)為(wei)亞(ya)甲(jia)藍和(he)碘值的函數。該模型(xing)是在共50個樣本的幫助下建(jian)立起(qi)來的，其(qi)中包括KS校(xiao)準選(xuan)擇了14個樣本。校(xiao)準范圍(wei)為(wei)0.05至0.99cm 3 g -1.亞(ya)甲(jia)藍號-1和(he)碘號從(cong)2到427毫克從(cong)195到1670毫克-1變化。建(jian)模導致表面擬合(圖3)，由(you)公式5描述(shu):

　　該(gai)方程適用于微孔體積預測，評估包含文(wen)獻(xian)中的(de)(de)數據(ju)(ju)和我們獲得的(de)(de)數據(ju)(ju)的(de)(de)測試(shi)(shi)樣本。共測試(shi)(shi)了(le)36個樣本。圖形(xing)比較（圖4）表(biao)明該(gai)模型具有良好的(de)(de)預測能力。測試(shi)(shi)樣品組的(de)(de)平均絕(jue)對誤差為0.05cm 3 g -1.平均相(xiang)對誤差為16.4%。表(biao)2給出了(le)模型的(de)(de)統(tong)計(ji)參數。

　　由(you)于微(wei)孔(kong)的(de)(de)尺寸(cun)優先考慮(lv)碘(dian)分子，碘(dian)值(zhi)也直接通過*小二乘回(hui)歸與微(wei)孔(kong)體積相關。然而(er)，誤差高于考慮(lv)亞(ya)甲藍和碘(dian)值(zhi)時的(de)(de)誤差。這表明亞(ya)甲藍對(dui)微(wei)孔(kong)體積預測有一定(ding)的(de)(de)貢獻，可能(neng)是(shi)由(you)于大微(wei)孔(kong)的(de)(de)吸附。

　　總孔體積建模

　　亞(ya)甲藍與碘值(zhi)與總孔(kong)容之間的(de)關系是通過線性模型建(jian)立的(de)。Kennard-Stone從39中(zhong)選(xuan)擇的(de)10個樣本對表面進行建(jian)模(圖5)。

　　校準范圍(wei)被認為(wei)是0.09到(dao)1.11 cm 3 g -1.碘(dian)號(hao)從195到(dao)1294毫克-1和2到(dao)427毫克變(bian)化的亞甲基藍(lan)數字(zi)-1。公式6描述了(le)該模型(xing)：

　　將29個樣品的(de)測(ce)試組應用于(yu)測(ce)試總孔體積(ji)預測(ce)的(de)方程(cheng)。預測(ce)值與參(can)考(kao)值的(de)一致性良好。.04cm 3 g -平均絕對誤(wu)差和(he)13.4%的(de)平均相對誤(wu)差。表3給(gei)出了模型(xing)的(de)統計(ji)參(can)數。

　　在(zai)本文(wen)中(zhong)，我們展示了(le)如何利用(yong)碘(dian)值和亞甲(jia)藍(lan)數來(lai)估(gu)計活(huo)(huo)性(xing)炭樣(yang)品的(de)表面積、微孔(kong)體(ti)積和總孔(kong)體(ti)積。用(yong)于測定碘(dian)和亞甲(jia)藍(lan)數量的(de)程(cheng)序相(xiang)對便宜和簡單，并且不需要使用(yong)復雜的(de)設備。此外，開發的(de)方法(fa)(fa)允許從亞甲(jia)基藍(lan)和碘(dian)吸(xi)附研(yan)究(jiu)中(zhong)提取比通常使用(yong)這種材料(liao)更(geng)多的(de)信息。雖(sui)然這種方法(fa)(fa)不能取代(dai)活(huo)(huo)性(xing)炭的(de)適當(dang)紋理特性(xing)，但對于沒有氣體(ti)吸(xi)附實(shi)驗(yan)設備的(de)實(shi)驗(yan)室(shi)來(lai)說，非常有價值的(de)。