估算活(huo)性炭表面(mian)積和孔體(ti)積

　　活(huo)性(xing)炭(tan)是(shi)各種工(gong)藝中非常(chang)重要的(de)(de)多(duo)孔(kong)材(cai)(cai)料。活(huo)性(xing)炭(tan)的(de)(de)主要用途(tu)是(shi)吸附氣(qi)相或液相中的(de)(de)污染物(wu)，儲(chu)存氣(qi)體 并用作催(cui)化劑載體。活(huo)性(xing)炭(tan)等多(duo)孔(kong)材(cai)(cai)料通常(chang)有幾個物(wu)理參數，如(ru)表面(mian)積(ji)和孔(kong)隙(xi)體積(ji)。在(zai)這些材(cai)(cai)料的(de)(de)開發(fa)中，滿足這些物(wu)理性(xing)能(neng)是(shi)非常(chang)重要的(de)(de)，因(yin)為它們將直接影響材(cai)(cai)料在(zai)其(qi)應用中的(de)(de)性(xing)能(neng)。

　　通常使用活性炭的(de)表(biao)(biao)面(mian)積(ji)BET液氮(dan)溫度(77)K)氮(dan)氣在不同壓力(li)(li)下吸附(fu)。然后根據BET表(biao)(biao)面(mian)積(ji)由氮(dan)分子的(de)橫(heng)截面(mian)積(ji)、阿伏加德羅數(shu)(shu)和氮(dan)的(de)特定單(dan)層容(rong)量的(de)乘積(ji)決定，由氮(dan)分子的(de)橫(heng)截面(mian)積(ji)決定BET進一步修(xiu)改(gai)提出(chu)的(de)等式。氮(dan)吸附(fu)等溫線數(shu)(shu)據也用(yong)于測量孔體(ti)積(ji)。總(zong)孔體(ti)積(ji)根據*高相對壓力(li)(li)下吸附(fu)的(de)氮(dan)量進行估計，并(bing)使(shi)用(yong)Dubinin-Radushkevich微孔體(ti)積(ji)從氮(dan)吸附(fu)等溫線計算。雖(sui)然這些(xie)方法(fa)在多(duo)孔材料(liao)的(de)表(biao)(biao)面(mian)積(ji)和孔體(ti)積(ji)測定中被更多(duo)地用(yong)作參考，但這些(xie)方法(fa)耗(hao)時(shi)且昂貴。

　　通過亞(ya)(ya)(ya)甲(jia)基藍(lan)、碘(dian)等(deng)不同吸附物的(de)(de)(de)吸附特(te)性(xing)，可以(yi)獲(huo)得(de)更(geng)多關于(yu)活(huo)(huo)(huo)性(xing)炭(tan)(tan)結構(gou)的(de)(de)(de)信息。這些(xie)分子(zi)的(de)(de)(de)吸附料吸附能(neng)力(li)的(de)(de)(de)信息，這些(xie)分子(zi)的(de)(de)(de)吸附實(shi)驗很(hen)容易和習(xi)慣性(xing)地表示活(huo)(huo)(huo)性(xing)炭(tan)(tan)。根據亞(ya)(ya)(ya)甲(jia)基藍(lan)分子(zi)的(de)(de)(de)大小，它(ta)主要吸附在(zai)中孔(kong)中，但(dan)在(zai)較大的(de)(de)(de)微(wei)(wei)孔(kong)中也發現了一小部分。至于(yu)亞(ya)(ya)(ya)甲(jia)藍(lan)，碘(dian)分子(zi)尺(chi)寸較差(cha)，可以(yi)滲透到(dao)微(wei)(wei)孔(kong)中。這些(xie)特(te)征(zheng)賦(fu)予了這些(xie)分子(zi)在(zai)活(huo)(huo)(huo)性(xing)炭(tan)(tan)物理結構(gou)研究(jiu)中探針的(de)(de)(de)潛力(li)。盡管如此，亞(ya)(ya)(ya)甲(jia)基藍(lan)與碘(dian)值的(de)(de)(de)定(ding)量(liang)關系和活(huo)(huo)(huo)性(xing)炭(tan)(tan)的(de)(de)(de)結構(gou)特(te)性(xing)還沒有(you)詳細研究(jiu)。

　　本文的目的是證明活性炭的表面積，微(wei)孔(kong)體積和總孔(kong)體積可以通過碘和亞甲基藍的數值進行多元化回歸來估算。該方法是考(kao)慮從(cong)不同的前系統中(zhong)提(ti)取的活性炭樣品和從(cong)文獻(xian)中(zhong)提(ti)取的數據。

　　測試實驗開始：

　　活性炭樣品

　　方(fang)法(fa)開發了多種活性炭(tan)樣品的表面積(ji)、微孔體(ti)積(ji)、總孔體(ti)積(ji)、碘值和亞甲藍(lan)數量。

　　亞甲(jia)基藍(MBN)

　　亞甲藍數定義為(wei)1.0g吸附(fu)劑(ji)上吸附(fu)的染(ran)料*多(duo)。10..0毫(hao)(hao)克活性炭被置于與10.處理24小時不同濃(nong)度(10、25、50、100、250、500、1000毫(hao)(hao)克L亞甲藍溶(rong)液-1)，室(shi)溫下(約25℃)。使用UV / Vis分光(guang)光(guang)度計(Biosystems SP-2000)在645nm分析亞甲基(ji)藍的剩余濃(nong)度。

　　亞甲(jia)基藍(lan)液吸附(fu)的亞甲(jia)基藍(lan)量由(you)式1計算：

　　其(qi)中C 0 (mg L -1)是開始(shi)時間(t = 0)亞甲基藍溶液(ye)的(de)濃度，C e(mg L -1)平衡亞甲藍溶液(ye)的(de)濃度，V(L)處理(li)溶液(ye)體積，M(g)是吸附劑(ji)的(de)質量。

　　為(wei)了確(que)定Langmuir模型的(de)亞甲基(ji)藍數(shu)(shu)，使用C e的(de)函數(shu)(shu)作出q eq曲線。Langmuir參(can)數(shu)(shu)(q max 和K L)通過*小二(er)乘擬合回歸(gui)找到。

　　碘值(IN)

　　碘(dian)(dian)值(zhi)根據ASTM D4607-94方(fang)法(fa)(fa)測定(ding)。碘(dian)(dian)值(zhi)定(ding)義為0.02N(0.02mol L -1)時，被1.0g碘(dian)(dian)的(de)毫(hao)克數(shu)被碳(tan)吸附。該方(fang)法(fa)(fa)基于三點(dian)等溫線。標準碘(dian)(dian)溶液(ye)在(zai)(zai)特定(ding)條件下用(yong)三種不(bu)(bu)同重(zhong)(zhong)量(liang)的(de)活性炭處理。實(shi)驗(yan)包括用(yong)10.0mL的(de)5%HCl處理活性炭樣品(pin)。將(jiang)(jiang)混合(he)物煮30秒，然后冷卻。不(bu)(bu)久之后，將(jiang)(jiang)是100.0mL的(de)0.1N(0.1mol L -1)將(jiang)(jiang)碘(dian)(dian)溶液(ye)加(jia)入混合(he)物中，攪拌(ban)30秒。過濾(lv)所得溶液(ye)50.0毫(hao)升濾(lv)液(ye)滴定(ding)用(yong)0.1N(0.硫(liu)代硫(liu)酸鈉，1摩(mo)爾大(da)號-1)，以(yi)淀粉為指(zhi)示劑。每(mei)克碳(tan)吸附的(de)碘(dian)(dian)量(liang)(X / M)相對濾(lv)液(ye)(C)用(yong)對數(shu)軸繪制中碘(dian)(dian)濃度(du)。若殘留(liu)(liu)碘(dian)(dian)濃度(du)(C)不(bu)(bu)在(zai)(zai)0.008-0.04 N(0.008-0.04 mol L -在(zai)(zai)1)范圍內(nei)，每(mei)個等溫點(dian)應(ying)使用(yong)不(bu)(bu)同的(de)碳(tan)質重(zhong)(zhong)復整個過程(cheng)。*小二乘擬合(he)回(hui)歸這(zhe)三點(dian)應(ying)用(yong)。碘(dian)(dian)值(zhi)為殘留(liu)(liu)濃度(du)(C)為0.02N(0.02mol L -1)時的(de) X / M值(zhi)。所述(shu)X / M和C ^ 等式2和3分別計(ji)算值(zhi)。

　　其中(zhong)(zhong)N I 是(shi)碘溶液(ye)的當(dang)量濃度，V I碘溶液(ye)的添加量，V HCl是(shi)5%HCl加入體積，V F 是(shi)滴定中(zhong)(zhong)使(shi)用(yong)的濾液(ye)體積，N Na 2 S 2O 3 鈉(na)(na)硫(liu)代硫(liu)酸鈉(na)(na)溶液(ye)正常，V Na 2 S 2 O 3 是(shi)硫(liu)代硫(liu)酸鈉(na)(na)溶液(ye)的消耗量，M C 是(shi)活性炭的質量。

　　比表面積

　　在77K氮(dan)吸附(fu)試驗用儀器確定(ding)試樣的比(bi)表面積。吸附(fu)測量前(qian)，樣品為180℃過夜放氣BET模型擬合氮(dan)吸附(fu)等溫線，評估樣品的比(bi)表面積。

　　孔體積

　　氮吸附(fu)等(deng)溫線數據被用(yong)于(yu)估計測試樣品的孔體(ti)積(ji)(ji)。總孔體(ti)積(ji)(ji)由相對壓力為0.估計98氮吸附(fu)量。Dubinin-Radushkevich微孔體(ti)積(ji)(ji)從氮吸附(fu)等(deng)溫線計算。

　　多元回歸

　　KS該(gai)算(suan)法用于(yu)分(fen)離(li)(li)校(xiao)準(zhun)組(zu)和測試組(zu)中的(de)樣品(pin)。根據歐幾里(li)德(de)幾里(li)德(de)距離(li)(li)選擇樣本(ben)。前(qian)兩個樣本(ben)相(xiang)距*遠。以下(xia)樣本(ben)是通過與之前(qian)選擇的(de)樣本(ben)的(de)距離(li)(li)來選擇的(de)。校(xiao)準(zhun)組(zu)中不同樣品(pin)量的(de)校(xiao)準(zhun)。選擇校(xiao)準(zhun)中使用的(de)樣本(ben)數(shu)量來生成顯示測試組(zu)樣本(ben)的(de)*小(xiao)誤差模型。校(xiao)準(zhun)模型采用*小(xiao)二乘擬(ni)合，表面積(ji)由亞甲基(ji)藍和碘值確定，總孔(kong)體積(ji)和微孔(kong)體積(ji)估計。Matlab用于(yu)計算(suan)程(cheng)序的(de)軟件。

　　結果分析：

　　*初建立表面(mian)圖，檢查(cha)活性炭樣(yang)品的(de)表面(mian)積、總孔體積和微孔體積與亞(ya)甲(jia)藍和碘值之間的(de)關系。使用(yong)實驗部分引用(yong)的(de)樣(yang)品的(de)數(shu)據(ju)構建圖(圖1S，補充(chong)材(cai)料)。

　　在所有情(qing)況(kuang)下(xia)，亞甲基藍(lan)和碘的(de)數量隨著(zhu)表面(mian)積和孔體積的(de)比例而增加(jia)，這(zhe)表明它們是(shi)測量這(zhe)些性(xing)質的(de)有趣探針(zhen)。事實上，亞甲基藍(lan)分子的(de)面(mian)積為15.08納米2，只能進入(ru)大微孔和中孔。5碘分子面(mian)積小(xiao)15 為0.4nm 并(bing)且可以進入(ru)較(jiao)小(xiao)的(de)微孔。

　　表面積建模

　　使用二次模(mo)型來(lai)描述與表(biao)面(mian)積相(xiang)比的(de)亞(ya)甲基藍(lan)和(he)碘的(de)數量。對(dui)于(yu)模(mo)型開(kai)發，Kennard-Stone從105個樣(yang)(yang)本中(zhong)選擇27個樣(yang)(yang)本進行校準。樣(yang)(yang)品表(biao)面(mian)積從199到2105 m 2 g -1不(bu)等(deng)。亞(ya)甲基藍(lan)的(de)數量在0到501毫克之間(jian)，碘值(zhi)從155到1670毫克之間(jian)。建模(mo)后獲得的(de)表(biao)面(mian)擬合(圖1)由公式4描述。

　　考慮(lv)到我們(men)獲得的(de)文獻和(he)數據(ju)(ju)中的(de)數據(ju)(ju)，通(tong)過該方程的(de)表面積預(yu)測測試(shi)了78個測試(shi)樣品。圖2顯示了等式(shi)4預(yu)測的(de)值和(he)實驗BET值之間的(de)比較(jiao)。

　　觀察(cha)值之(zhi)間的(de)良好相關性表明該模型(xing)具有良好的(de)預測能力。測試樣(yang)品中觀察(cha)到的(de)平均(jun)絕對(dui)誤差為77.8米2 克-1的(de)平均(jun)相對(dui)誤差為11.8%。表1給出了模型(xing)的(de)統計參(can)數。

　　據報道，碘(dian)值可(ke)通(tong)過每次(ci)吸附1mg碘(dian)的(de)(de)表面(mian)積(ji)(ji)1m 為(wei)活性(xing)炭(tan)(tan)表面(mian)積(ji)(ji)提(ti)供(gong)關系。這(zhe)一(yi)考(kao)(kao)慮是在本工(gong)作中使(shi)用的(de)(de)數據完成的(de)(de)，但誤(wu)差(cha)明顯(xian)高于(yu)使(shi)用等式4估計表面(mian)積(ji)(ji)時觀察(cha)到的(de)(de)誤(wu)差(cha)。*小二乘法擬合只(zhi)能考(kao)(kao)慮碘(dian)值，但誤(wu)差(cha)仍高于(yu)使(shi)用公式4時得到的(de)(de)誤(wu)差(cha)。因此，碘(dian)值和亞甲基藍(lan)值對(dui)于(yu)估計活性(xing)炭(tan)(tan)的(de)(de)表面(mian)積(ji)(ji)很重要，因為(wei)這(zhe)些材料有不(bu)同的(de)(de)孔徑，可(ke)以根據孔隙(xi)幾何結構由不(bu)同的(de)(de)分子獲得。

　　微孔體積建模

　　微孔體積也用二(er)次模(mo)型(xing)描(miao)述為(wei)亞(ya)甲藍(lan)和碘值(zhi)的函數(shu)。該模(mo)型(xing)是在共50個(ge)樣(yang)(yang)本(ben)的幫助下建立(li)起來的，其中包(bao)括KS校(xiao)(xiao)準選擇了14個(ge)樣(yang)(yang)本(ben)。校(xiao)(xiao)準范(fan)圍為(wei)0.05至0.99cm 3 g -1.亞(ya)甲藍(lan)號-1和碘號從2到(dao)427毫克從195到(dao)1670毫克-1變化。建模(mo)導致(zhi)表面擬合(圖(tu)3)，由公式5描(miao)述:

　　該方程適用于(yu)微孔(kong)體積(ji)預測(ce)，評估(gu)包(bao)含文(wen)獻中的數(shu)據和我們獲(huo)得的數(shu)據的測(ce)試樣(yang)本。共測(ce)試了36個樣(yang)本。圖形比較（圖4）表明該模型具有良好的預測(ce)能力。測(ce)試樣(yang)品組(zu)的平(ping)均絕對(dui)誤差為(wei)0.05cm 3 g -1.平(ping)均相對(dui)誤差為(wei)16.4%。表2給出(chu)了模型的統計參數(shu)。

　　由于微孔(kong)的尺寸優先考慮碘分子，碘值也(ye)直(zhi)接通過(guo)*小二乘回歸與微孔(kong)體(ti)積(ji)相關。然而(er)，誤差(cha)高于考慮亞甲藍(lan)和碘值時的誤差(cha)。這表明(ming)亞甲藍(lan)對微孔(kong)體(ti)積(ji)預測有一定(ding)的貢獻，可能是由于大微孔(kong)的吸附。

　　總孔體積建模

　　亞甲藍與碘值與總孔容之(zhi)間的關系是通過線性模型建立的。Kennard-Stone從39中選擇(ze)的10個樣本(ben)對(dui)表面進(jin)行(xing)建模(圖5)。

　　校準范圍被認為是0.09到(dao)(dao)1.11 cm 3 g -1.碘號從195到(dao)(dao)1294毫(hao)克-1和2到(dao)(dao)427毫(hao)克變化(hua)的(de)亞(ya)甲基藍(lan)數字-1。公(gong)式6描述了該模型：

　　將29個樣品的(de)測(ce)(ce)(ce)試組(zu)應用于測(ce)(ce)(ce)試總孔體積預(yu)測(ce)(ce)(ce)的(de)方(fang)程。預(yu)測(ce)(ce)(ce)值與參(can)考值的(de)一致性(xing)良(liang)好。.04cm 3 g -平均絕對誤(wu)差(cha)和13.4%的(de)平均相對誤(wu)差(cha)。表3給出(chu)了模型的(de)統計參(can)數。

　　在(zai)本文中，我們展示了如(ru)何利用(yong)(yong)碘值和亞甲藍數來(lai)估計活(huo)性(xing)炭樣品的表面積(ji)(ji)、微(wei)孔體(ti)(ti)積(ji)(ji)和總孔體(ti)(ti)積(ji)(ji)。用(yong)(yong)于(yu)測定碘和亞甲藍數量的程序相對便宜和簡單，并且不需要使用(yong)(yong)復雜(za)的設(she)備(bei)。此外，開發的方法允許(xu)從(cong)亞甲基(ji)藍和碘吸附(fu)研(yan)究(jiu)中提(ti)取比通常(chang)使用(yong)(yong)這種材(cai)料更多(duo)的信息。雖(sui)然這種方法不能取代活(huo)性(xing)炭的適當紋(wen)理特性(xing)，但對于(yu)沒有氣體(ti)(ti)吸附(fu)實(shi)驗設(she)備(bei)的實(shi)驗室來(lai)說，非常(chang)有價值的。