估算(suan)活性(xing)炭表面積和孔體積

　　活(huo)(huo)性炭是(shi)(shi)各(ge)種工藝中(zhong)非(fei)常重要(yao)的(de)多(duo)孔(kong)材(cai)料(liao)。活(huo)(huo)性炭的(de)主(zhu)要(yao)用途是(shi)(shi)吸附氣相或液相中(zhong)的(de)污(wu)染物，儲存氣體(ti) 并用作催化(hua)劑(ji)載體(ti)。活(huo)(huo)性炭等多(duo)孔(kong)材(cai)料(liao)通常有幾(ji)個物理參數，如表面積和孔(kong)隙體(ti)積。在這些材(cai)料(liao)的(de)開發中(zhong)，滿足這些物理性能(neng)是(shi)(shi)非(fei)常重要(yao)的(de)，因為它們將直接影響材(cai)料(liao)在其應用中(zhong)的(de)性能(neng)。

　　通常使用活性炭的(de)表面(mian)積(ji)(ji)(ji)(ji)BET液氮(dan)溫度(77)K)氮(dan)氣在不同壓(ya)力下(xia)吸附(fu)。然后根據BET表面(mian)積(ji)(ji)(ji)(ji)由氮(dan)分(fen)子(zi)的(de)橫(heng)截(jie)面(mian)積(ji)(ji)(ji)(ji)、阿(a)伏(fu)加德羅數和氮(dan)的(de)特定(ding)(ding)(ding)單層容量的(de)乘積(ji)(ji)(ji)(ji)決定(ding)(ding)(ding)，由氮(dan)分(fen)子(zi)的(de)橫(heng)截(jie)面(mian)積(ji)(ji)(ji)(ji)決定(ding)(ding)(ding)BET進一步修(xiu)改(gai)提出的(de)等式。氮(dan)吸附(fu)等溫線數據也用(yong)于測量孔(kong)體(ti)積(ji)(ji)(ji)(ji)。總孔(kong)體(ti)積(ji)(ji)(ji)(ji)根據*高相對壓(ya)力下(xia)吸附(fu)的(de)氮(dan)量進行估(gu)計，并使用(yong)Dubinin-Radushkevich微(wei)孔(kong)體(ti)積(ji)(ji)(ji)(ji)從氮(dan)吸附(fu)等溫線計算。雖然這(zhe)些方法在多孔(kong)材料的(de)表面(mian)積(ji)(ji)(ji)(ji)和孔(kong)體(ti)積(ji)(ji)(ji)(ji)測定(ding)(ding)(ding)中(zhong)被更多地用(yong)作(zuo)參考，但這(zhe)些方法耗時且(qie)昂貴。

　　通(tong)過亞(ya)甲(jia)基(ji)藍(lan)(lan)、碘等(deng)不同(tong)吸附(fu)(fu)物的(de)(de)吸附(fu)(fu)特(te)(te)性(xing)(xing)，可(ke)以(yi)獲得更多關于活性(xing)(xing)炭結(jie)構的(de)(de)信(xin)(xin)息。這些分子的(de)(de)吸附(fu)(fu)料(liao)吸附(fu)(fu)能力的(de)(de)信(xin)(xin)息，這些分子的(de)(de)吸附(fu)(fu)實驗(yan)很(hen)容易和(he)習慣性(xing)(xing)地表示活性(xing)(xing)炭。根據亞(ya)甲(jia)基(ji)藍(lan)(lan)分子的(de)(de)大(da)小，它主要(yao)吸附(fu)(fu)在(zai)中(zhong)(zhong)孔中(zhong)(zhong)，但在(zai)較大(da)的(de)(de)微孔中(zhong)(zhong)也發現了一小部(bu)分。至于亞(ya)甲(jia)藍(lan)(lan)，碘分子尺(chi)寸(cun)較差，可(ke)以(yi)滲透到(dao)微孔中(zhong)(zhong)。這些特(te)(te)征賦予了這些分子在(zai)活性(xing)(xing)炭物理結(jie)構研(yan)究(jiu)中(zhong)(zhong)探(tan)針(zhen)的(de)(de)潛(qian)力。盡管如此(ci)，亞(ya)甲(jia)基(ji)藍(lan)(lan)與碘值的(de)(de)定量關系和(he)活性(xing)(xing)炭的(de)(de)結(jie)構特(te)(te)性(xing)(xing)還沒有詳細(xi)研(yan)究(jiu)。

　　本(ben)文的(de)目的(de)是(shi)證(zheng)明活(huo)性(xing)炭的(de)表面積，微孔體(ti)積和(he)總(zong)孔體(ti)積可以通(tong)過碘和(he)亞甲(jia)基藍的(de)數(shu)值進行(xing)多元(yuan)化回歸(gui)來估算(suan)。該(gai)方法是(shi)考慮(lv)從不同的(de)前系統(tong)中提(ti)取的(de)活(huo)性(xing)炭樣品和(he)從文獻中提(ti)取的(de)數(shu)據。

　　測試實驗開始：

　　活性炭樣品

　　方法開(kai)發了多種活性炭樣品的(de)表(biao)面積、微孔(kong)體積、總(zong)孔(kong)體積、碘值和亞甲藍數量(liang)。

　　亞甲基藍(lan)(MBN)

　　亞甲(jia)藍數定義為1.0g吸附劑(ji)上吸附的染料(liao)*多。10..0毫克活性炭(tan)被置于(yu)與10.處理24小時(shi)不同(tong)濃(nong)度(10、25、50、100、250、500、1000毫克L亞甲(jia)藍溶液-1)，室溫下(約(yue)25℃)。使用UV / Vis分光(guang)光(guang)度計(Biosystems SP-2000)在645nm分析亞甲(jia)基(ji)藍的剩余濃(nong)度。

　　亞(ya)甲(jia)(jia)基藍液吸附的亞(ya)甲(jia)(jia)基藍量由式1計算：

　　其(qi)中C 0 (mg L -1)是(shi)(shi)開始時間(t = 0)亞甲基(ji)藍溶液的濃度，C e(mg L -1)平(ping)衡亞甲藍溶液的濃度，V(L)處理溶液體積，M(g)是(shi)(shi)吸附劑的質量(liang)。

　　為了確定Langmuir模型的(de)亞(ya)甲基藍數(shu)，使用(yong)C e的(de)函數(shu)作出q eq曲(qu)線。Langmuir參數(shu)(q max 和(he)K L)通過*小(xiao)二(er)乘擬合回歸(gui)找到。

　　碘值(IN)

　　碘(dian)(dian)值(zhi)(zhi)根據ASTM D4607-94方(fang)法測定(ding)。碘(dian)(dian)值(zhi)(zhi)定(ding)義(yi)為(wei)0.02N(0.02mol L -1)時(shi)，被1.0g碘(dian)(dian)的(de)毫克(ke)數(shu)被碳吸附(fu)。該方(fang)法基于三(san)點(dian)等(deng)(deng)溫(wen)(wen)線。標準碘(dian)(dian)溶液(ye)在特定(ding)條件下用(yong)三(san)種(zhong)不(bu)(bu)同(tong)重量(liang)的(de)活(huo)性(xing)炭處理。實(shi)驗包括(kuo)用(yong)10.0mL的(de)5%HCl處理活(huo)性(xing)炭樣品。將(jiang)混(hun)合物煮30秒，然后冷卻。不(bu)(bu)久之后，將(jiang)是100.0mL的(de)0.1N(0.1mol L -1)將(jiang)碘(dian)(dian)溶液(ye)加(jia)入(ru)混(hun)合物中，攪拌30秒。過(guo)濾(lv)所得溶液(ye)50.0毫升濾(lv)液(ye)滴定(ding)用(yong)0.1N(0.硫(liu)(liu)代硫(liu)(liu)酸鈉，1摩爾(er)大號(hao)-1)，以淀粉(fen)為(wei)指(zhi)示劑。每克(ke)碳吸附(fu)的(de)碘(dian)(dian)量(liang)(X / M)相對濾(lv)液(ye)(C)用(yong)對數(shu)軸繪(hui)制中碘(dian)(dian)濃(nong)度(du)。若殘(can)留(liu)碘(dian)(dian)濃(nong)度(du)(C)不(bu)(bu)在0.008-0.04 N(0.008-0.04 mol L -在1)范圍內，每個(ge)等(deng)(deng)溫(wen)(wen)點(dian)應使用(yong)不(bu)(bu)同(tong)的(de)碳質重復整(zheng)個(ge)過(guo)程。*小二乘擬合回歸這三(san)點(dian)應用(yong)。碘(dian)(dian)值(zhi)(zhi)為(wei)殘(can)留(liu)濃(nong)度(du)(C)為(wei)0.02N(0.02mol L -1)時(shi)的(de) X / M值(zhi)(zhi)。所述X / M和(he)C ^ 等(deng)(deng)式2和(he)3分別計(ji)算值(zhi)(zhi)。

　　其中(zhong)N I 是(shi)碘溶(rong)液(ye)的(de)(de)當量(liang)濃度(du)，V I碘溶(rong)液(ye)的(de)(de)添加量(liang)，V HCl是(shi)5%HCl加入(ru)體積，V F 是(shi)滴定中(zhong)使用的(de)(de)濾液(ye)體積，N Na 2 S 2O 3 鈉硫(liu)代(dai)硫(liu)酸鈉溶(rong)液(ye)正(zheng)常(chang)，V Na 2 S 2 O 3 是(shi)硫(liu)代(dai)硫(liu)酸鈉溶(rong)液(ye)的(de)(de)消耗量(liang)，M C 是(shi)活性炭的(de)(de)質量(liang)。

　　比表面積

　　在77K氮吸(xi)(xi)附試(shi)驗(yan)用儀器確(que)定試(shi)樣(yang)的(de)比表面(mian)積(ji)。吸(xi)(xi)附測量(liang)前(qian)，樣(yang)品為180℃過夜放氣BET模型擬合氮吸(xi)(xi)附等溫線(xian)，評(ping)估樣(yang)品的(de)比表面(mian)積(ji)。

　　孔體積

　　氮吸(xi)附等溫線數據被用于(yu)估計(ji)(ji)測(ce)試樣(yang)品的(de)孔體積。總孔體積由相對壓(ya)力為0.估計(ji)(ji)98氮吸(xi)附量。Dubinin-Radushkevich微孔體積從氮吸(xi)附等溫線計(ji)(ji)算。

　　多元回歸

　　KS該(gai)算法用于(yu)分離校準(zhun)組(zu)和(he)(he)(he)測試組(zu)中的(de)(de)樣(yang)(yang)(yang)品。根據歐幾里(li)德(de)幾里(li)德(de)距離選(xuan)擇(ze)樣(yang)(yang)(yang)本(ben)。前兩個樣(yang)(yang)(yang)本(ben)相距*遠。以(yi)下樣(yang)(yang)(yang)本(ben)是通過與(yu)之前選(xuan)擇(ze)的(de)(de)樣(yang)(yang)(yang)本(ben)的(de)(de)距離來選(xuan)擇(ze)的(de)(de)。校準(zhun)組(zu)中不同樣(yang)(yang)(yang)品量的(de)(de)校準(zhun)。選(xuan)擇(ze)校準(zhun)中使用的(de)(de)樣(yang)(yang)(yang)本(ben)數量來生成顯示(shi)測試組(zu)樣(yang)(yang)(yang)本(ben)的(de)(de)*小誤差模型(xing)。校準(zhun)模型(xing)采用*小二乘擬(ni)合，表面積(ji)由亞甲基(ji)藍和(he)(he)(he)碘值(zhi)確定，總孔體積(ji)和(he)(he)(he)微孔體積(ji)估計。Matlab用于(yu)計算程序的(de)(de)軟(ruan)件。

　　結果分析：

　　*初建(jian)立表(biao)面(mian)圖，檢查活性炭(tan)樣品的表(biao)面(mian)積、總孔(kong)體積和微孔(kong)體積與亞甲藍和碘(dian)值之間(jian)的關系。使用實驗部分引用的樣品的數(shu)據構建(jian)圖(圖1S，補充材料)。

　　在(zai)所有(you)情況下，亞(ya)甲(jia)基藍(lan)和(he)(he)碘的數量(liang)隨著表面積(ji)(ji)和(he)(he)孔(kong)體積(ji)(ji)的比例(li)而增加，這表明它們是測量(liang)這些性質的有(you)趣探針。事實(shi)上(shang)，亞(ya)甲(jia)基藍(lan)分子(zi)的面積(ji)(ji)為15.08納米2，只能(neng)進入大微(wei)孔(kong)和(he)(he)中孔(kong)。5碘分子(zi)面積(ji)(ji)小15 為0.4nm 并(bing)且可以進入較小的微(wei)孔(kong)。

　　表面積建模

　　使用二(er)次模型來描述與表面積相(xiang)比的(de)(de)亞甲基藍和碘(dian)的(de)(de)數量。對于模型開發，Kennard-Stone從(cong)105個(ge)樣(yang)(yang)本中(zhong)選擇(ze)27個(ge)樣(yang)(yang)本進行(xing)校準。樣(yang)(yang)品表面積從(cong)199到(dao)2105 m 2 g -1不等(deng)。亞甲基藍的(de)(de)數量在(zai)0到(dao)501毫克之間，碘(dian)值從(cong)155到(dao)1670毫克之間。建(jian)模后(hou)獲得的(de)(de)表面擬合(圖(tu)1)由公式4描述。

　　考慮到(dao)我們獲得的文獻和數(shu)據中的數(shu)據，通過該方程的表(biao)面(mian)積預測(ce)(ce)測(ce)(ce)試了(le)78個(ge)測(ce)(ce)試樣品(pin)。圖2顯示了(le)等(deng)式4預測(ce)(ce)的值和實驗BET值之間的比較。

　　觀察(cha)值之間(jian)的(de)(de)良好相關性表(biao)(biao)明該模型具有良好的(de)(de)預測能力。測試樣品中觀察(cha)到的(de)(de)平均(jun)絕對誤(wu)(wu)差為(wei)77.8米2 克-1的(de)(de)平均(jun)相對誤(wu)(wu)差為(wei)11.8%。表(biao)(biao)1給出了模型的(de)(de)統計參數。

　　據(ju)(ju)報道，碘(dian)值(zhi)可通(tong)過(guo)每次(ci)吸附1mg碘(dian)的(de)表面積1m 為(wei)(wei)活(huo)(huo)性炭表面積提供關系。這一考(kao)慮是在本工作(zuo)中使用的(de)數(shu)據(ju)(ju)完成的(de)，但(dan)誤差明顯高于使用等(deng)式4估(gu)計(ji)表面積時觀察到的(de)誤差。*小二乘(cheng)法擬合(he)只能考(kao)慮碘(dian)值(zhi)，但(dan)誤差仍高于使用公(gong)式4時得到的(de)誤差。因此，碘(dian)值(zhi)和亞(ya)甲基藍值(zhi)對于估(gu)計(ji)活(huo)(huo)性炭的(de)表面積很重要，因為(wei)(wei)這些材(cai)料(liao)有不同的(de)孔徑，可以根據(ju)(ju)孔隙幾何結構(gou)由(you)不同的(de)分(fen)子獲得。

　　微孔體積建模

　　微孔體積也(ye)用二次(ci)模型(xing)描述為亞甲藍(lan)和(he)(he)碘(dian)值的函數。該模型(xing)是在(zai)共50個樣(yang)本的幫助下建立起來的，其中包括KS校(xiao)準(zhun)選擇了14個樣(yang)本。校(xiao)準(zhun)范圍為0.05至0.99cm 3 g -1.亞甲藍(lan)號-1和(he)(he)碘(dian)號從2到427毫克從195到1670毫克-1變化。建模導致表(biao)面擬(ni)合(圖(tu)3)，由公式5描述:

　　該方程(cheng)適(shi)用于微孔體(ti)積預測(ce)(ce)，評估包含(han)文獻中的(de)數據和我們獲得的(de)數據的(de)測(ce)(ce)試樣本(ben)。共測(ce)(ce)試了36個樣本(ben)。圖形(xing)比較(jiao)（圖4）表明該模(mo)型具有(you)良好的(de)預測(ce)(ce)能力。測(ce)(ce)試樣品組的(de)平均絕對(dui)誤差為0.05cm 3 g -1.平均相對(dui)誤差為16.4%。表2給出(chu)了模(mo)型的(de)統(tong)計參數。

　　由(you)于(yu)微孔(kong)的尺寸優先考慮碘(dian)分子(zi)，碘(dian)值也直接(jie)通過*小二乘回歸與(yu)微孔(kong)體積(ji)相關。然而，誤差(cha)高于(yu)考慮亞甲藍和碘(dian)值時的誤差(cha)。這表明亞甲藍對(dui)微孔(kong)體積(ji)預測有(you)一定的貢獻，可能是由(you)于(yu)大微孔(kong)的吸(xi)附。

　　總孔體積建模

　　亞甲藍與(yu)碘值與(yu)總孔容之間的關(guan)系是(shi)通過線性模型(xing)建(jian)立(li)的。Kennard-Stone從39中選擇(ze)的10個樣本對表面進行建(jian)模(圖(tu)5)。

　　校準范圍被(bei)認為是(shi)0.09到(dao)1.11 cm 3 g -1.碘號從195到(dao)1294毫克-1和2到(dao)427毫克變(bian)化(hua)的亞甲基藍數字-1。公式6描述了該模型：

　　將(jiang)29個樣品(pin)的(de)測試組應用于測試總孔(kong)體(ti)積預(yu)測的(de)方(fang)程。預(yu)測值與參考值的(de)一致性良好。.04cm 3 g -平均絕對誤差(cha)和13.4%的(de)平均相(xiang)對誤差(cha)。表3給出了模(mo)型的(de)統(tong)計參數。

　　在本文中，我們展示了如(ru)何利用(yong)碘值和(he)(he)亞甲藍數來(lai)(lai)估計(ji)活(huo)性(xing)炭樣(yang)品的(de)(de)表面積、微(wei)孔體(ti)(ti)積和(he)(he)總孔體(ti)(ti)積。用(yong)于(yu)測定碘和(he)(he)亞甲藍數量的(de)(de)程序相對(dui)便(bian)宜(yi)和(he)(he)簡(jian)單，并且不需要使用(yong)復雜的(de)(de)設備。此(ci)外(wai)，開發的(de)(de)方(fang)法允許從亞甲基藍和(he)(he)碘吸(xi)附(fu)研究中提取(qu)比通(tong)常使用(yong)這種材(cai)料更多的(de)(de)信息。雖然(ran)這種方(fang)法不能取(qu)代活(huo)性(xing)炭的(de)(de)適當(dang)紋理特性(xing)，但對(dui)于(yu)沒有氣(qi)體(ti)(ti)吸(xi)附(fu)實(shi)驗設備的(de)(de)實(shi)驗室來(lai)(lai)說，非常有價值的(de)(de)。