估算活性炭表面積和孔(kong)體(ti)積

　　活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)是各種(zhong)工藝中非常(chang)(chang)重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)多孔材料(liao)。活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)的(de)(de)(de)(de)主(zhu)要用(yong)途是吸附氣相或液相中的(de)(de)(de)(de)污染物(wu)，儲存(cun)氣體 并用(yong)作催化劑載體。活(huo)(huo)(huo)性(xing)(xing)(xing)炭(tan)等多孔材料(liao)通常(chang)(chang)有幾(ji)個物(wu)理參數，如表(biao)面(mian)積和(he)孔隙體積。在這些(xie)材料(liao)的(de)(de)(de)(de)開發中，滿足這些(xie)物(wu)理性(xing)(xing)(xing)能(neng)是非常(chang)(chang)重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)，因為(wei)它們將直接影響材料(liao)在其(qi)應用(yong)中的(de)(de)(de)(de)性(xing)(xing)(xing)能(neng)。

　　通常使用活性炭的(de)表(biao)面積(ji)BET液氮溫度(77)K)氮氣在不同壓力下(xia)吸附(fu)(fu)。然(ran)(ran)后根(gen)據BET表(biao)面積(ji)由(you)氮分(fen)子的(de)橫(heng)截(jie)面積(ji)、阿伏加德羅數和氮的(de)特(te)定(ding)(ding)單層(ceng)容量的(de)乘積(ji)決(jue)定(ding)(ding)，由(you)氮分(fen)子的(de)橫(heng)截(jie)面積(ji)決(jue)定(ding)(ding)BET進一步(bu)修改提出的(de)等(deng)式。氮吸附(fu)(fu)等(deng)溫線(xian)數據也用(yong)于測量孔(kong)體(ti)積(ji)。總(zong)孔(kong)體(ti)積(ji)根(gen)據*高相對壓力下(xia)吸附(fu)(fu)的(de)氮量進行(xing)估計，并使用(yong)Dubinin-Radushkevich微孔(kong)體(ti)積(ji)從氮吸附(fu)(fu)等(deng)溫線(xian)計算。雖然(ran)(ran)這些(xie)(xie)方(fang)法在多孔(kong)材(cai)料的(de)表(biao)面積(ji)和孔(kong)體(ti)積(ji)測定(ding)(ding)中(zhong)被更多地用(yong)作參考，但這些(xie)(xie)方(fang)法耗(hao)時(shi)且昂貴(gui)。

　　通過亞甲基(ji)藍(lan)(lan)、碘等不同吸附(fu)(fu)物的(de)吸附(fu)(fu)特性(xing)，可以(yi)獲得更多關于(yu)活性(xing)炭(tan)(tan)結構(gou)的(de)信息。這(zhe)些(xie)分子(zi)的(de)吸附(fu)(fu)料吸附(fu)(fu)能(neng)力(li)的(de)信息，這(zhe)些(xie)分子(zi)的(de)吸附(fu)(fu)實驗很容易和習慣性(xing)地(di)表示活性(xing)炭(tan)(tan)。根據亞甲基(ji)藍(lan)(lan)分子(zi)的(de)大小，它(ta)主要吸附(fu)(fu)在中(zhong)(zhong)(zhong)孔中(zhong)(zhong)(zhong)，但在較大的(de)微(wei)孔中(zhong)(zhong)(zhong)也發現了一小部分。至于(yu)亞甲藍(lan)(lan)，碘分子(zi)尺寸較差(cha)，可以(yi)滲透到微(wei)孔中(zhong)(zhong)(zhong)。這(zhe)些(xie)特征(zheng)賦予了這(zhe)些(xie)分子(zi)在活性(xing)炭(tan)(tan)物理結構(gou)研(yan)究中(zhong)(zhong)(zhong)探針的(de)潛(qian)力(li)。盡管如此，亞甲基(ji)藍(lan)(lan)與碘值(zhi)的(de)定量關系(xi)和活性(xing)炭(tan)(tan)的(de)結構(gou)特性(xing)還沒有詳(xiang)細研(yan)究。

　　本文的(de)目的(de)是證明活性(xing)炭的(de)表面積，微孔體積和總孔體積可(ke)以通過碘和亞甲基(ji)藍的(de)數(shu)值(zhi)進行多元化回歸來(lai)估(gu)算。該方法是考慮從(cong)不同(tong)的(de)前(qian)系統中提取的(de)活性(xing)炭樣品和從(cong)文獻(xian)中提取的(de)數(shu)據(ju)。

　　測試實驗開始：

　　活性炭樣品

　　方(fang)法開發了(le)多種活性(xing)炭(tan)樣品的表面積、微孔體積、總(zong)孔體積、碘值(zhi)和亞甲藍數量。

　　亞(ya)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毫克(ke)活性炭被置于與10.處理24小時不同濃度(du)(10、25、50、100、250、500、1000毫克(ke)L亞甲藍溶液(ye)-1)，室溫下(約25℃)。使用UV / Vis分光光度(du)計(Biosystems SP-2000)在645nm分析(xi)亞甲基藍的(de)剩余(yu)濃度(du)。

　　亞甲基藍液吸附的亞甲基藍量由式(shi)1計算：

　　其中C 0 (mg L -1)是開始時間(t = 0)亞(ya)甲基藍溶液的濃(nong)度(du)，C e(mg L -1)平衡亞(ya)甲藍溶液的濃(nong)度(du)，V(L)處(chu)理溶液體積，M(g)是吸附劑的質(zhi)量。

　　為了(le)確定(ding)Langmuir模(mo)型的亞(ya)甲(jia)基(ji)藍數(shu)，使用C e的函數(shu)作(zuo)出q eq曲(qu)線。Langmuir參(can)數(shu)(q max 和K L)通過*小二乘擬合回歸找到。

　　碘值(IN)

　　碘(dian)(dian)值根(gen)據ASTM D4607-94方法(fa)(fa)測定(ding)。碘(dian)(dian)值定(ding)義為(wei)(wei)0.02N(0.02mol L -1)時(shi)，被(bei)1.0g碘(dian)(dian)的(de)毫(hao)克(ke)數被(bei)碳吸附。該方法(fa)(fa)基于三(san)點等溫線。標準(zhun)碘(dian)(dian)溶液(ye)在特定(ding)條件下用(yong)三(san)種不(bu)同重量的(de)活(huo)性(xing)炭處理。實驗(yan)包括用(yong)10.0mL的(de)5%HCl處理活(huo)性(xing)炭樣品(pin)。將混(hun)合物(wu)煮30秒，然(ran)后(hou)冷卻(que)。不(bu)久(jiu)之后(hou)，將是100.0mL的(de)0.1N(0.1mol L -1)將碘(dian)(dian)溶液(ye)加入混(hun)合物(wu)中，攪(jiao)拌30秒。過(guo)(guo)濾所得溶液(ye)50.0毫(hao)升濾液(ye)滴定(ding)用(yong)0.1N(0.硫代硫酸鈉，1摩(mo)爾大號-1)，以淀粉為(wei)(wei)指示劑(ji)。每(mei)克(ke)碳吸附的(de)碘(dian)(dian)量(X / M)相(xiang)對濾液(ye)(C)用(yong)對數軸繪制中碘(dian)(dian)濃(nong)度。若殘(can)(can)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(fan)圍(wei)內，每(mei)個等溫點應使(shi)用(yong)不(bu)同的(de)碳質重復整個過(guo)(guo)程。*小(xiao)二乘擬合回歸這三(san)點應用(yong)。碘(dian)(dian)值為(wei)(wei)殘(can)(can)留(liu)濃(nong)度(C)為(wei)(wei)0.02N(0.02mol L -1)時(shi)的(de) X / M值。所述X / M和(he)C ^ 等式(shi)2和(he)3分別計算值。

　　其中(zhong)N I 是(shi)碘(dian)溶(rong)液(ye)的(de)當(dang)量濃度(du)，V I碘(dian)溶(rong)液(ye)的(de)添加量，V HCl是(shi)5%HCl加入(ru)體積，V F 是(shi)滴定中(zhong)使(shi)用的(de)濾液(ye)體積，N Na 2 S 2O 3 鈉硫代硫酸鈉溶(rong)液(ye)正常(chang)，V Na 2 S 2 O 3 是(shi)硫代硫酸鈉溶(rong)液(ye)的(de)消耗量，M C 是(shi)活性炭(tan)的(de)質量。

　　比表面積

　　在77K氮吸(xi)附試驗用儀器確定試樣的(de)比表(biao)面(mian)積。吸(xi)附測量前，樣品(pin)為180℃過(guo)夜放氣BET模型擬合氮吸(xi)附等(deng)溫線，評估樣品(pin)的(de)比表(biao)面(mian)積。

　　孔體積

　　氮(dan)吸附(fu)(fu)等溫(wen)線數據(ju)被用于(yu)估計測試樣品的(de)孔體積(ji)。總(zong)孔體積(ji)由相對壓力(li)為0.估計98氮(dan)吸附(fu)(fu)量。Dubinin-Radushkevich微孔體積(ji)從氮(dan)吸附(fu)(fu)等溫(wen)線計算(suan)。

　　多元回歸

　　KS該(gai)算(suan)法用(yong)于分(fen)離(li)校(xiao)準(zhun)組(zu)(zu)和測(ce)試(shi)組(zu)(zu)中的(de)(de)樣(yang)(yang)(yang)品。根據歐(ou)幾里德(de)幾里德(de)距離(li)選擇(ze)樣(yang)(yang)(yang)本(ben)(ben)。前(qian)兩(liang)個(ge)樣(yang)(yang)(yang)本(ben)(ben)相距*遠。以(yi)下樣(yang)(yang)(yang)本(ben)(ben)是通過(guo)與之前(qian)選擇(ze)的(de)(de)樣(yang)(yang)(yang)本(ben)(ben)的(de)(de)距離(li)來選擇(ze)的(de)(de)。校(xiao)準(zhun)組(zu)(zu)中不同樣(yang)(yang)(yang)品量的(de)(de)校(xiao)準(zhun)。選擇(ze)校(xiao)準(zhun)中使(shi)用(yong)的(de)(de)樣(yang)(yang)(yang)本(ben)(ben)數量來生成(cheng)顯示測(ce)試(shi)組(zu)(zu)樣(yang)(yang)(yang)本(ben)(ben)的(de)(de)*小(xiao)誤差(cha)模(mo)(mo)型。校(xiao)準(zhun)模(mo)(mo)型采(cai)用(yong)*小(xiao)二乘擬(ni)合，表面積由亞(ya)甲基藍和碘值確(que)定，總(zong)孔體積和微孔體積估計。Matlab用(yong)于計算(suan)程序(xu)的(de)(de)軟件。

　　結果分析：

　　*初建立表面圖(tu)，檢查活性炭樣品(pin)的(de)表面積(ji)、總孔體(ti)(ti)積(ji)和微(wei)孔體(ti)(ti)積(ji)與亞甲藍和碘值之間的(de)關系(xi)。使用實驗部(bu)分引用的(de)樣品(pin)的(de)數(shu)據(ju)構(gou)建圖(tu)(圖(tu)1S，補充材(cai)料)。

　　在所有情況下，亞甲(jia)基(ji)藍和(he)碘(dian)的數量(liang)隨(sui)著表(biao)(biao)面(mian)積(ji)和(he)孔(kong)體積(ji)的比(bi)例而增加，這(zhe)表(biao)(biao)明它(ta)們是測量(liang)這(zhe)些性(xing)質的有趣(qu)探針(zhen)。事實上，亞甲(jia)基(ji)藍分(fen)子的面(mian)積(ji)為15.08納米2，只(zhi)能進入大(da)微(wei)孔(kong)和(he)中孔(kong)。5碘(dian)分(fen)子面(mian)積(ji)小15 為0.4nm 并且可以(yi)進入較小的微(wei)孔(kong)。

　　表面積建模

　　使用二次(ci)模型來描述與表面積(ji)(ji)相比(bi)的亞(ya)甲(jia)基藍和(he)碘的數量(liang)。對于模型開發，Kennard-Stone從(cong)105個樣(yang)本中(zhong)選擇27個樣(yang)本進行(xing)校準。樣(yang)品表面積(ji)(ji)從(cong)199到2105 m 2 g -1不(bu)等。亞(ya)甲(jia)基藍的數量(liang)在0到501毫克(ke)之間，碘值(zhi)從(cong)155到1670毫克(ke)之間。建模后獲得的表面擬(ni)合(圖1)由公式4描述。

　　考(kao)慮到我們獲得的(de)(de)文獻和(he)數據中(zhong)的(de)(de)數據，通過該(gai)方(fang)程的(de)(de)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(deng)式(shi)4預測(ce)的(de)(de)值(zhi)和(he)實(shi)驗(yan)BET值(zhi)之間的(de)(de)比較。

　　觀(guan)察(cha)值(zhi)之間(jian)的(de)良好相關性表明該(gai)模(mo)型具有良好的(de)預測能(neng)力。測試(shi)樣品中觀(guan)察(cha)到(dao)的(de)平均絕對(dui)誤(wu)差為(wei)77.8米(mi)2 克-1的(de)平均相對(dui)誤(wu)差為(wei)11.8%。表1給(gei)出(chu)了模(mo)型的(de)統計(ji)參數(shu)。

　　據報道，碘(dian)值可通過(guo)每次吸(xi)附1mg碘(dian)的(de)(de)(de)表面(mian)積(ji)1m 為活性炭表面(mian)積(ji)提(ti)供關系。這(zhe)一(yi)考(kao)慮是在(zai)本(ben)工作中使(shi)用的(de)(de)(de)數(shu)據完成的(de)(de)(de)，但誤(wu)(wu)差明顯高于(yu)使(shi)用等式4估計表面(mian)積(ji)時觀察到的(de)(de)(de)誤(wu)(wu)差。*小二乘法擬合(he)只能考(kao)慮碘(dian)值，但誤(wu)(wu)差仍高于(yu)使(shi)用公式4時得到的(de)(de)(de)誤(wu)(wu)差。因此，碘(dian)值和亞甲(jia)基藍值對(dui)于(yu)估計活性炭的(de)(de)(de)表面(mian)積(ji)很(hen)重要，因為這(zhe)些(xie)材料(liao)有(you)不(bu)同的(de)(de)(de)孔徑，可以根據孔隙(xi)幾(ji)何結(jie)構由(you)不(bu)同的(de)(de)(de)分子(zi)獲得。

　　微孔體積建模

　　微孔體積也用(yong)二(er)次模型(xing)描(miao)述為(wei)亞甲(jia)藍和碘(dian)值的(de)函(han)數(shu)。該模型(xing)是(shi)在共50個樣本的(de)幫助下建立起來的(de)，其中包括KS校(xiao)(xiao)準(zhun)選擇(ze)了14個樣本。校(xiao)(xiao)準(zhun)范圍(wei)為(wei)0.05至0.99cm 3 g -1.亞甲(jia)藍號-1和碘(dian)號從2到(dao)427毫克從195到(dao)1670毫克-1變化(hua)。建模導致表面(mian)擬合(圖(tu)3)，由公式5描(miao)述:

　　該方程(cheng)適用于微(wei)孔體積預測(ce)，評估包(bao)含文獻中的數據(ju)和我(wo)們獲得(de)的數據(ju)的測(ce)試樣(yang)本(ben)。共測(ce)試了36個樣(yang)本(ben)。圖(tu)形(xing)比較（圖(tu)4）表(biao)明該模型具有良好的預測(ce)能力。測(ce)試樣(yang)品組的平均絕對誤差(cha)為0.05cm 3 g -1.平均相對誤差(cha)為16.4%。表(biao)2給(gei)出了模型的統計參數。

　　由于(yu)微(wei)孔的(de)尺寸優先考慮(lv)碘分子，碘值也直(zhi)接通(tong)過*小二乘回歸(gui)與(yu)微(wei)孔體積(ji)相關。然(ran)而，誤差高于(yu)考慮(lv)亞甲(jia)藍和碘值時的(de)誤差。這表明亞甲(jia)藍對微(wei)孔體積(ji)預測有一(yi)定的(de)貢獻，可能是由于(yu)大微(wei)孔的(de)吸附。

　　總孔體積建模

　　亞甲藍與碘(dian)值與總孔(kong)容之間的(de)關系是通(tong)過線(xian)性模型建立的(de)。Kennard-Stone從39中選擇的(de)10個樣本對(dui)表面進行建模(圖5)。

　　校準范圍被認(ren)為是0.09到(dao)1.11 cm 3 g -1.碘號(hao)從195到(dao)1294毫克-1和(he)2到(dao)427毫克變化的亞甲基藍數字-1。公式6描(miao)述了該(gai)模型：

　　將29個樣品的(de)測試組應用(yong)于測試總孔體積(ji)預測的(de)方程。預測值與參(can)考值的(de)一致性良(liang)好(hao)。.04cm 3 g -平均絕對誤差和13.4%的(de)平均相對誤差。表(biao)3給出(chu)了模(mo)型的(de)統計參(can)數。

　　在本文(wen)中(zhong)，我們展示了如何(he)利(li)用碘(dian)(dian)值和亞甲(jia)(jia)藍數來估(gu)計活性(xing)炭樣品的(de)表面積、微孔體(ti)積和總(zong)孔體(ti)積。用于測(ce)定(ding)碘(dian)(dian)和亞甲(jia)(jia)藍數量(liang)的(de)程序相(xiang)對便宜和簡單，并且不需要(yao)使用復(fu)雜的(de)設(she)備。此外，開發(fa)的(de)方法允許從亞甲(jia)(jia)基藍和碘(dian)(dian)吸附(fu)研究中(zhong)提(ti)取比通常(chang)使用這種(zhong)材料(liao)更多的(de)信息。雖然這種(zhong)方法不能取代活性(xing)炭的(de)適當(dang)紋理特性(xing)，但對于沒有氣(qi)體(ti)吸附(fu)實驗(yan)設(she)備的(de)實驗(yan)室來說，非常(chang)有價值的(de)。