估算活(huo)性炭表面積和孔(kong)體(ti)積

　　活(huo)性炭(tan)是(shi)各(ge)種工(gong)藝(yi)中非常重要(yao)的(de)(de)多(duo)孔(kong)(kong)材(cai)(cai)料(liao)。活(huo)性炭(tan)的(de)(de)主要(yao)用途是(shi)吸(xi)附氣相(xiang)或液相(xiang)中的(de)(de)污染物，儲(chu)存(cun)氣體 并用作催化劑(ji)載(zai)體。活(huo)性炭(tan)等多(duo)孔(kong)(kong)材(cai)(cai)料(liao)通常有幾個物理(li)參數，如表面積和孔(kong)(kong)隙體積。在這些材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)開發中，滿(man)足(zu)這些物理(li)性能是(shi)非常重要(yao)的(de)(de)，因(yin)為(wei)它(ta)們將直(zhi)接影響材(cai)(cai)料(liao)在其應用中的(de)(de)性能。

　　通常使用活性炭的(de)(de)表面(mian)(mian)(mian)積(ji)BET液(ye)氮(dan)溫度(77)K)氮(dan)氣在不同壓(ya)(ya)力(li)下(xia)吸(xi)附(fu)。然后根據(ju)(ju)(ju)BET表面(mian)(mian)(mian)積(ji)由氮(dan)分子的(de)(de)橫(heng)截面(mian)(mian)(mian)積(ji)、阿伏加德羅數(shu)(shu)和氮(dan)的(de)(de)特定(ding)(ding)單層(ceng)容量的(de)(de)乘積(ji)決定(ding)(ding)，由氮(dan)分子的(de)(de)橫(heng)截面(mian)(mian)(mian)積(ji)決定(ding)(ding)BET進(jin)一(yi)步修改提(ti)出的(de)(de)等(deng)式。氮(dan)吸(xi)附(fu)等(deng)溫線(xian)數(shu)(shu)據(ju)(ju)(ju)也用(yong)(yong)于測量孔體積(ji)。總孔體積(ji)根據(ju)(ju)(ju)*高相對(dui)壓(ya)(ya)力(li)下(xia)吸(xi)附(fu)的(de)(de)氮(dan)量進(jin)行估計(ji)，并使用(yong)(yong)Dubinin-Radushkevich微孔體積(ji)從氮(dan)吸(xi)附(fu)等(deng)溫線(xian)計(ji)算。雖然這(zhe)(zhe)些方法在多(duo)孔材料的(de)(de)表面(mian)(mian)(mian)積(ji)和孔體積(ji)測定(ding)(ding)中被更多(duo)地用(yong)(yong)作參考，但(dan)這(zhe)(zhe)些方法耗時且昂貴。

　　通過亞甲(jia)基(ji)藍(lan)、碘等不同吸(xi)附(fu)(fu)(fu)物(wu)的(de)(de)(de)吸(xi)附(fu)(fu)(fu)特性(xing)，可以獲得更多關(guan)于活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)結構的(de)(de)(de)信(xin)息。這(zhe)些分(fen)(fen)(fen)子(zi)的(de)(de)(de)吸(xi)附(fu)(fu)(fu)料吸(xi)附(fu)(fu)(fu)能力(li)的(de)(de)(de)信(xin)息，這(zhe)些分(fen)(fen)(fen)子(zi)的(de)(de)(de)吸(xi)附(fu)(fu)(fu)實驗很容易(yi)和(he)習慣(guan)性(xing)地表示(shi)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)。根據(ju)亞甲(jia)基(ji)藍(lan)分(fen)(fen)(fen)子(zi)的(de)(de)(de)大小，它(ta)主要(yao)吸(xi)附(fu)(fu)(fu)在中孔中，但在較(jiao)大的(de)(de)(de)微孔中也發(fa)現了一小部(bu)分(fen)(fen)(fen)。至于亞甲(jia)藍(lan)，碘分(fen)(fen)(fen)子(zi)尺寸較(jiao)差，可以滲透到微孔中。這(zhe)些特征賦予了這(zhe)些分(fen)(fen)(fen)子(zi)在活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)物(wu)理結構研(yan)(yan)究中探針的(de)(de)(de)潛力(li)。盡管如(ru)此(ci)，亞甲(jia)基(ji)藍(lan)與碘值的(de)(de)(de)定量關(guan)系(xi)和(he)活(huo)性(xing)炭(tan)(tan)的(de)(de)(de)結構特性(xing)還沒有詳(xiang)細(xi)研(yan)(yan)究。

　　本文的(de)(de)目的(de)(de)是證明(ming)活性(xing)炭的(de)(de)表面積，微孔體(ti)積和(he)總孔體(ti)積可以通過碘和(he)亞甲基(ji)藍(lan)的(de)(de)數值進行多元化回(hui)歸(gui)來估算(suan)。該方(fang)法(fa)是考慮(lv)從不(bu)同的(de)(de)前系統中(zhong)提(ti)取的(de)(de)活性(xing)炭樣品和(he)從文獻中(zhong)提(ti)取的(de)(de)數據。

　　測試實驗開始：

　　活性炭樣品

　　方法(fa)開(kai)發(fa)了多種(zhong)活性炭(tan)樣(yang)品(pin)的表(biao)面積、微孔(kong)體積、總孔(kong)體積、碘值(zhi)和亞甲(jia)藍數(shu)量(liang)。

　　亞甲基藍(MBN)

　　亞(ya)甲藍(lan)(lan)數定義為1.0g吸(xi)附(fu)劑(ji)上(shang)吸(xi)附(fu)的染料*多(duo)。10..0毫(hao)克活性炭(tan)被置于與10.處理24小時(shi)不同濃度(10、25、50、100、250、500、1000毫(hao)克L亞(ya)甲藍(lan)(lan)溶液(ye)-1)，室溫下(約(yue)25℃)。使用UV / Vis分(fen)光光度計(Biosystems SP-2000)在645nm分(fen)析亞(ya)甲基藍(lan)(lan)的剩余濃度。

　　亞甲基藍液吸附的亞甲基藍量由式1計算：

　　其中C 0 (mg L -1)是開始時間(t = 0)亞(ya)甲基藍(lan)溶(rong)液(ye)(ye)的濃度，C e(mg L -1)平(ping)衡亞(ya)甲藍(lan)溶(rong)液(ye)(ye)的濃度，V(L)處理溶(rong)液(ye)(ye)體積，M(g)是吸附劑的質量。

　　為了確定Langmuir模型的亞甲基藍數(shu)(shu)，使用(yong)C e的函數(shu)(shu)作出(chu)q eq曲線(xian)。Langmuir參數(shu)(shu)(q max 和K L)通過*小(xiao)二乘擬合回歸找到(dao)。

　　碘值(IN)

　　碘(dian)(dian)值根(gen)據ASTM D4607-94方法測定(ding)。碘(dian)(dian)值定(ding)義(yi)為0.02N(0.02mol L -1)時，被1.0g碘(dian)(dian)的(de)(de)(de)毫克(ke)(ke)數被碳吸附。該方法基于(yu)三(san)(san)點等(deng)(deng)溫(wen)線(xian)。標準碘(dian)(dian)溶(rong)液在(zai)特定(ding)條件(jian)下用(yong)三(san)(san)種(zhong)不同(tong)重量(liang)的(de)(de)(de)活性炭處(chu)理。實驗包括用(yong)10.0mL的(de)(de)(de)5%HCl處(chu)理活性炭樣(yang)品(pin)。將(jiang)混(hun)合(he)物(wu)煮30秒，然后冷卻。不久之(zhi)后，將(jiang)是100.0mL的(de)(de)(de)0.1N(0.1mol L -1)將(jiang)碘(dian)(dian)溶(rong)液加入混(hun)合(he)物(wu)中，攪拌(ban)30秒。過濾所(suo)得溶(rong)液50.0毫升(sheng)濾液滴定(ding)用(yong)0.1N(0.硫(liu)代硫(liu)酸鈉，1摩爾大號-1)，以淀粉為指示劑。每(mei)克(ke)(ke)碳吸附的(de)(de)(de)碘(dian)(dian)量(liang)(X / M)相對濾液(C)用(yong)對數軸繪制中碘(dian)(dian)濃(nong)(nong)(nong)度(du)。若殘(can)留碘(dian)(dian)濃(nong)(nong)(nong)度(du)(C)不在(zai)0.008-0.04 N(0.008-0.04 mol L -在(zai)1)范圍(wei)內(nei)，每(mei)個等(deng)(deng)溫(wen)點應使(shi)用(yong)不同(tong)的(de)(de)(de)碳質(zhi)重復整個過程。*小二(er)乘擬(ni)合(he)回(hui)歸這三(san)(san)點應用(yong)。碘(dian)(dian)值為殘(can)留濃(nong)(nong)(nong)度(du)(C)為0.02N(0.02mol L -1)時的(de)(de)(de) X / M值。所(suo)述X / M和(he)C ^ 等(deng)(deng)式(shi)2和(he)3分別計算值。

　　其中N I 是碘溶(rong)(rong)液的(de)當量(liang)濃度，V I碘溶(rong)(rong)液的(de)添加量(liang)，V HCl是5%HCl加入(ru)體(ti)積(ji)，V F 是滴定(ding)中使用的(de)濾液體(ti)積(ji)，N Na 2 S 2O 3 鈉(na)硫代(dai)硫酸鈉(na)溶(rong)(rong)液正常(chang)，V Na 2 S 2 O 3 是硫代(dai)硫酸鈉(na)溶(rong)(rong)液的(de)消耗量(liang)，M C 是活性(xing)炭的(de)質量(liang)。

　　比表面積

　　在77K氮(dan)吸(xi)(xi)附試(shi)驗用(yong)儀器(qi)確定試(shi)樣(yang)的比(bi)表面積(ji)。吸(xi)(xi)附測(ce)量前，樣(yang)品(pin)為180℃過夜放(fang)氣BET模型(xing)擬(ni)合氮(dan)吸(xi)(xi)附等溫線，評估樣(yang)品(pin)的比(bi)表面積(ji)。

　　孔體積

　　氮吸附(fu)等(deng)溫線(xian)數據被用于估(gu)計(ji)測試(shi)樣品的孔(kong)體(ti)積(ji)(ji)。總孔(kong)體(ti)積(ji)(ji)由相對壓力為0.估(gu)計(ji)98氮吸附(fu)量。Dubinin-Radushkevich微(wei)孔(kong)體(ti)積(ji)(ji)從氮吸附(fu)等(deng)溫線(xian)計(ji)算。

　　多元回歸

　　KS該(gai)算(suan)法用于(yu)(yu)分離校(xiao)準組(zu)(zu)和(he)測(ce)(ce)試組(zu)(zu)中的樣(yang)(yang)品(pin)(pin)。根據歐幾(ji)里德幾(ji)里德距離選擇樣(yang)(yang)本(ben)。前(qian)兩(liang)個樣(yang)(yang)本(ben)相距*遠(yuan)。以(yi)下樣(yang)(yang)本(ben)是通(tong)過與之前(qian)選擇的樣(yang)(yang)本(ben)的距離來選擇的。校(xiao)準組(zu)(zu)中不(bu)同(tong)樣(yang)(yang)品(pin)(pin)量的校(xiao)準。選擇校(xiao)準中使用的樣(yang)(yang)本(ben)數量來生成顯示測(ce)(ce)試組(zu)(zu)樣(yang)(yang)本(ben)的*小誤(wu)差模型。校(xiao)準模型采用*小二乘擬合，表面(mian)積由(you)亞(ya)甲基藍和(he)碘值確定(ding)，總孔(kong)體(ti)積和(he)微孔(kong)體(ti)積估計(ji)。Matlab用于(yu)(yu)計(ji)算(suan)程序的軟件。

　　結果分析：

　　*初建(jian)立表(biao)面(mian)圖，檢(jian)查活性炭(tan)樣品(pin)的表(biao)面(mian)積、總(zong)孔體積和微孔體積與亞甲藍(lan)和碘值之間的關系。使(shi)用實驗部分引用的樣品(pin)的數據構(gou)建(jian)圖(圖1S，補充材料)。

　　在所有(you)情況下，亞甲(jia)(jia)基藍(lan)和(he)(he)碘的數量隨(sui)著表面(mian)積(ji)和(he)(he)孔(kong)體(ti)積(ji)的比(bi)例而增加(jia)，這表明(ming)它們(men)是測量這些性(xing)質的有(you)趣(qu)探針。事實上，亞甲(jia)(jia)基藍(lan)分子的面(mian)積(ji)為15.08納米2，只能進(jin)入(ru)大微孔(kong)和(he)(he)中孔(kong)。5碘分子面(mian)積(ji)小15 為0.4nm 并且可以(yi)進(jin)入(ru)較(jiao)小的微孔(kong)。

　　表面積建模

　　使用(yong)二次模型來描述(shu)與表面(mian)(mian)(mian)積(ji)相比的(de)亞甲基藍和碘(dian)的(de)數(shu)量。對(dui)于模型開發，Kennard-Stone從(cong)105個(ge)(ge)樣(yang)本中選擇(ze)27個(ge)(ge)樣(yang)本進行校準。樣(yang)品表面(mian)(mian)(mian)積(ji)從(cong)199到2105 m 2 g -1不等。亞甲基藍的(de)數(shu)量在(zai)0到501毫(hao)克之間(jian)，碘(dian)值從(cong)155到1670毫(hao)克之間(jian)。建模后(hou)獲得的(de)表面(mian)(mian)(mian)擬合(圖(tu)1)由公式4描述(shu)。

　　考慮到(dao)我們(men)獲得的(de)文獻和(he)數據(ju)中的(de)數據(ju)，通過該方程的(de)表面積預測(ce)測(ce)試了78個測(ce)試樣品。圖2顯示了等式4預測(ce)的(de)值(zhi)和(he)實驗BET值(zhi)之間的(de)比較。

　　觀察(cha)值之間的良(liang)好相關(guan)性表(biao)(biao)明(ming)該(gai)模型具有良(liang)好的預測(ce)能力。測(ce)試樣品中觀察(cha)到的平均(jun)絕(jue)對(dui)(dui)誤差(cha)為77.8米2 克-1的平均(jun)相對(dui)(dui)誤差(cha)為11.8%。表(biao)(biao)1給出了(le)模型的統計參數。

　　據報道，碘(dian)值(zhi)(zhi)可通過每(mei)次吸附(fu)1mg碘(dian)的(de)(de)(de)(de)表面積(ji)(ji)1m 為活(huo)性炭表面積(ji)(ji)提供關系(xi)。這一(yi)考(kao)(kao)慮(lv)是在本(ben)工作(zuo)中(zhong)使(shi)(shi)用(yong)的(de)(de)(de)(de)數(shu)據完成的(de)(de)(de)(de)，但(dan)誤(wu)(wu)差明顯高于(yu)使(shi)(shi)用(yong)等(deng)式4估計表面積(ji)(ji)時觀(guan)察到(dao)的(de)(de)(de)(de)誤(wu)(wu)差。*小二乘法擬合只能考(kao)(kao)慮(lv)碘(dian)值(zhi)(zhi)，但(dan)誤(wu)(wu)差仍(reng)高于(yu)使(shi)(shi)用(yong)公式4時得到(dao)的(de)(de)(de)(de)誤(wu)(wu)差。因(yin)此，碘(dian)值(zhi)(zhi)和亞甲基藍(lan)值(zhi)(zhi)對于(yu)估計活(huo)性炭的(de)(de)(de)(de)表面積(ji)(ji)很重要，因(yin)為這些材料有不同的(de)(de)(de)(de)孔徑，可以根據孔隙幾何結構由不同的(de)(de)(de)(de)分子獲得。

　　微孔體積建模

　　微孔(kong)體積也用二(er)次模(mo)型(xing)描述(shu)為亞甲藍(lan)和碘值的(de)函數(shu)。該模(mo)型(xing)是在(zai)共(gong)50個(ge)樣(yang)本(ben)的(de)幫助下建立起來的(de)，其中包括KS校準選擇了(le)14個(ge)樣(yang)本(ben)。校準范圍為0.05至0.99cm 3 g -1.亞甲藍(lan)號-1和碘號從2到427毫克從195到1670毫克-1變化。建模(mo)導致表(biao)面擬合(he)(圖3)，由公式5描述(shu):

　　該(gai)方程適用于微孔體積預測(ce)(ce)，評估包含(han)文獻中(zhong)的(de)數據和我們獲(huo)得的(de)數據的(de)測(ce)(ce)試樣本。共(gong)測(ce)(ce)試了36個樣本。圖(tu)(tu)形比較(jiao)（圖(tu)(tu)4）表明該(gai)模(mo)(mo)型(xing)具(ju)有(you)良好的(de)預測(ce)(ce)能(neng)力(li)。測(ce)(ce)試樣品組的(de)平均(jun)絕對誤(wu)差為0.05cm 3 g -1.平均(jun)相對誤(wu)差為16.4%。表2給出(chu)了模(mo)(mo)型(xing)的(de)統計參數。

　　由(you)于微(wei)(wei)孔的(de)尺寸優先(xian)考(kao)慮碘(dian)分子，碘(dian)值也直(zhi)接通過*小二乘(cheng)回(hui)歸與(yu)微(wei)(wei)孔體積相關。然而，誤(wu)差高于考(kao)慮亞甲(jia)藍和碘(dian)值時的(de)誤(wu)差。這表明亞甲(jia)藍對(dui)微(wei)(wei)孔體積預(yu)測有一(yi)定的(de)貢獻，可能是由(you)于大微(wei)(wei)孔的(de)吸附。

　　總孔體積建模

　　亞甲(jia)藍與(yu)碘(dian)值與(yu)總孔容之間的(de)關系是通過線性(xing)模(mo)型(xing)建立的(de)。Kennard-Stone從39中選擇(ze)的(de)10個樣(yang)本(ben)對表(biao)面進行建模(mo)(圖5)。

　　校(xiao)準范(fan)圍(wei)被認為(wei)是(shi)0.09到(dao)1.11 cm 3 g -1.碘號從195到(dao)1294毫克-1和(he)2到(dao)427毫克變(bian)化(hua)的亞甲基藍(lan)數字(zi)-1。公(gong)式(shi)6描述了該模型：

　　將29個(ge)樣品的(de)測試(shi)(shi)組應用于測試(shi)(shi)總孔體(ti)積預測的(de)方(fang)程。預測值(zhi)與參(can)考值(zhi)的(de)一致性良好。.04cm 3 g -平(ping)均(jun)絕對誤(wu)差和13.4%的(de)平(ping)均(jun)相對誤(wu)差。表3給出了模型的(de)統計參(can)數(shu)。

　　在(zai)本文中，我們展示了如(ru)何(he)利(li)用(yong)(yong)碘值(zhi)和(he)(he)亞(ya)甲藍(lan)(lan)數來估計活(huo)性炭(tan)樣品的(de)表面積、微孔體積和(he)(he)總孔體積。用(yong)(yong)于(yu)(yu)測(ce)定碘和(he)(he)亞(ya)甲藍(lan)(lan)數量的(de)程序相對(dui)便宜和(he)(he)簡單，并且不(bu)需(xu)要使用(yong)(yong)復雜的(de)設備(bei)。此外，開發(fa)的(de)方法(fa)允許從亞(ya)甲基藍(lan)(lan)和(he)(he)碘吸附研(yan)究中提取比通常使用(yong)(yong)這種(zhong)材料更多(duo)的(de)信息。雖然這種(zhong)方法(fa)不(bu)能取代活(huo)性炭(tan)的(de)適當紋理特(te)性，但(dan)對(dui)于(yu)(yu)沒有氣體吸附實(shi)驗(yan)設備(bei)的(de)實(shi)驗(yan)室來說，非常有價值(zhi)的(de)。