估算活(huo)性炭(tan)表面積(ji)和孔體積(ji)

　　活性(xing)炭是(shi)各種工(gong)藝中(zhong)非常重要(yao)的(de)(de)多孔材(cai)料。活性(xing)炭的(de)(de)主要(yao)用(yong)途是(shi)吸附氣相或液相中(zhong)的(de)(de)污染物(wu)，儲存氣體 并用(yong)作催化劑載體。活性(xing)炭等多孔材(cai)料通常有幾個物(wu)理參數，如表面(mian)積和孔隙體積。在這些材(cai)料的(de)(de)開發中(zhong)，滿足(zu)這些物(wu)理性(xing)能(neng)是(shi)非常重要(yao)的(de)(de)，因為它們將(jiang)直接影(ying)響(xiang)材(cai)料在其應(ying)用(yong)中(zhong)的(de)(de)性(xing)能(neng)。

　　通常使用活性炭的(de)表面積(ji)(ji)BET液氮(dan)(dan)溫(wen)(wen)度(du)(77)K)氮(dan)(dan)氣在(zai)不(bu)同壓力(li)下吸(xi)(xi)附。然后根(gen)據BET表面積(ji)(ji)由氮(dan)(dan)分(fen)子(zi)的(de)橫(heng)截面積(ji)(ji)、阿(a)伏加德羅數和氮(dan)(dan)的(de)特(te)定(ding)單層容量(liang)的(de)乘(cheng)積(ji)(ji)決定(ding)，由氮(dan)(dan)分(fen)子(zi)的(de)橫(heng)截面積(ji)(ji)決定(ding)BET進(jin)(jin)一(yi)步(bu)修(xiu)改提出(chu)的(de)等式。氮(dan)(dan)吸(xi)(xi)附等溫(wen)(wen)線數據也用(yong)于測(ce)量(liang)孔(kong)體(ti)積(ji)(ji)。總孔(kong)體(ti)積(ji)(ji)根(gen)據*高相(xiang)對壓力(li)下吸(xi)(xi)附的(de)氮(dan)(dan)量(liang)進(jin)(jin)行估計，并(bing)使用(yong)Dubinin-Radushkevich微孔(kong)體(ti)積(ji)(ji)從氮(dan)(dan)吸(xi)(xi)附等溫(wen)(wen)線計算。雖然這些方法(fa)在(zai)多孔(kong)材(cai)料的(de)表面積(ji)(ji)和孔(kong)體(ti)積(ji)(ji)測(ce)定(ding)中被更多地用(yong)作參考，但這些方法(fa)耗時且昂貴。

　　通過亞(ya)甲(jia)基(ji)藍(lan)、碘等不同(tong)吸(xi)附(fu)物(wu)的吸(xi)附(fu)特(te)(te)性(xing)，可以獲(huo)得更(geng)多關(guan)于(yu)活性(xing)炭(tan)結(jie)構(gou)的信息(xi)。這(zhe)些(xie)分(fen)(fen)子(zi)的吸(xi)附(fu)料(liao)吸(xi)附(fu)能力(li)的信息(xi)，這(zhe)些(xie)分(fen)(fen)子(zi)的吸(xi)附(fu)實驗很容易(yi)和習(xi)慣性(xing)地表示(shi)活性(xing)炭(tan)。根據亞(ya)甲(jia)基(ji)藍(lan)分(fen)(fen)子(zi)的大小(xiao)，它主要吸(xi)附(fu)在中孔(kong)中，但在較大的微孔(kong)中也(ye)發現了一小(xiao)部分(fen)(fen)。至于(yu)亞(ya)甲(jia)藍(lan)，碘分(fen)(fen)子(zi)尺寸較差，可以滲透到微孔(kong)中。這(zhe)些(xie)特(te)(te)征賦予了這(zhe)些(xie)分(fen)(fen)子(zi)在活性(xing)炭(tan)物(wu)理結(jie)構(gou)研究中探(tan)針的潛(qian)力(li)。盡管如此，亞(ya)甲(jia)基(ji)藍(lan)與碘值的定量關(guan)系和活性(xing)炭(tan)的結(jie)構(gou)特(te)(te)性(xing)還沒有詳(xiang)細研究。

　　本文的(de)(de)目的(de)(de)是(shi)證明活(huo)性炭的(de)(de)表面積，微孔(kong)體(ti)積和(he)總孔(kong)體(ti)積可以通過碘(dian)和(he)亞甲基(ji)藍的(de)(de)數值進行多元化回歸來估算(suan)。該方法是(shi)考慮從不同的(de)(de)前系統中(zhong)提(ti)取(qu)(qu)的(de)(de)活(huo)性炭樣品和(he)從文獻(xian)中(zhong)提(ti)取(qu)(qu)的(de)(de)數據(ju)。

　　測試實驗開始：

　　活性炭樣品

　　方法開發了多(duo)種活性(xing)炭樣品的表面(mian)積(ji)、微孔體(ti)積(ji)、總孔體(ti)積(ji)、碘值(zhi)和(he)亞甲藍數量。

　　亞甲基藍(MBN)

　　亞甲(jia)藍數定義(yi)為1.0g吸附(fu)劑上(shang)吸附(fu)的染料(liao)*多。10..0毫克活性炭(tan)被置(zhi)于(yu)與10.處理24小時不同濃(nong)度(10、25、50、100、250、500、1000毫克L亞甲(jia)藍溶液-1)，室溫下(約25℃)。使用UV / Vis分光光度計(Biosystems SP-2000)在645nm分析亞甲(jia)基藍的剩余(yu)濃(nong)度。

　　亞(ya)甲基(ji)藍液吸附的亞(ya)甲基(ji)藍量由(you)式1計(ji)算：

　　其中(zhong)C 0 (mg L -1)是開始時間(t = 0)亞(ya)甲(jia)基藍溶液(ye)的(de)濃度(du)(du)，C e(mg L -1)平衡(heng)亞(ya)甲(jia)藍溶液(ye)的(de)濃度(du)(du)，V(L)處理溶液(ye)體(ti)積，M(g)是吸(xi)附劑的(de)質(zhi)量(liang)。

　　為了確定(ding)Langmuir模(mo)型的(de)亞甲基藍數(shu)，使(shi)用C e的(de)函數(shu)作出q eq曲線。Langmuir參數(shu)(q max 和K L)通過*小二乘擬合回(hui)歸(gui)找到。

　　碘值(IN)

　　碘(dian)(dian)值根(gen)據ASTM D4607-94方法測定(ding)(ding)。碘(dian)(dian)值定(ding)(ding)義為(wei)0.02N(0.02mol L -1)時(shi)(shi)，被(bei)1.0g碘(dian)(dian)的毫(hao)克數被(bei)碳吸附(fu)。該(gai)方法基于三點(dian)等溫線。標準碘(dian)(dian)溶液(ye)在特定(ding)(ding)條件下用(yong)三種不(bu)(bu)同重量的活(huo)性(xing)炭處(chu)理。實驗包(bao)括用(yong)10.0mL的5%HCl處(chu)理活(huo)性(xing)炭樣品。將(jiang)(jiang)混合(he)物煮30秒，然(ran)后(hou)冷卻。不(bu)(bu)久之后(hou)，將(jiang)(jiang)是(shi)100.0mL的0.1N(0.1mol L -1)將(jiang)(jiang)碘(dian)(dian)溶液(ye)加入混合(he)物中，攪拌30秒。過(guo)濾所(suo)得溶液(ye)50.0毫(hao)升濾液(ye)滴(di)定(ding)(ding)用(yong)0.1N(0.硫代硫酸(suan)鈉(na)，1摩爾大號-1)，以淀粉為(wei)指(zhi)示劑。每克碳吸附(fu)的碘(dian)(dian)量(X / M)相對濾液(ye)(C)用(yong)對數軸繪制(zhi)中碘(dian)(dian)濃(nong)度。若殘(can)留(liu)碘(dian)(dian)濃(nong)度(C)不(bu)(bu)在0.008-0.04 N(0.008-0.04 mol L -在1)范圍內(nei)，每個等溫點(dian)應使用(yong)不(bu)(bu)同的碳質重復整個過(guo)程。*小(xiao)二乘擬合(he)回(hui)歸這三點(dian)應用(yong)。碘(dian)(dian)值為(wei)殘(can)留(liu)濃(nong)度(C)為(wei)0.02N(0.02mol L -1)時(shi)(shi)的 X / M值。所(suo)述X / M和C ^ 等式2和3分別計(ji)算值。

　　其(qi)中(zhong)N I 是碘溶液(ye)(ye)的當量(liang)濃度(du)，V I碘溶液(ye)(ye)的添加量(liang)，V HCl是5%HCl加入(ru)體積(ji)，V F 是滴定中(zhong)使用的濾液(ye)(ye)體積(ji)，N Na 2 S 2O 3 鈉硫(liu)代硫(liu)酸鈉溶液(ye)(ye)正常，V Na 2 S 2 O 3 是硫(liu)代硫(liu)酸鈉溶液(ye)(ye)的消耗量(liang)，M C 是活性(xing)炭的質量(liang)。

　　比表面積

　　在77K氮吸附(fu)(fu)試驗用儀器確定試樣的比表面(mian)積(ji)。吸附(fu)(fu)測(ce)量前，樣品為180℃過夜放氣BET模型擬合氮吸附(fu)(fu)等溫(wen)線，評估樣品的比表面(mian)積(ji)。

　　孔體積

　　氮吸(xi)附等溫線(xian)(xian)數據(ju)被用于(yu)估(gu)計測試(shi)樣品的孔體積。總孔體積由相對(dui)壓力為0.估(gu)計98氮吸(xi)附量。Dubinin-Radushkevich微孔體積從氮吸(xi)附等溫線(xian)(xian)計算。

　　多元回歸

　　KS該算法(fa)用(yong)于分離(li)(li)校準(zhun)組(zu)和(he)測試組(zu)中的(de)樣(yang)(yang)(yang)品。根據歐幾里(li)德幾里(li)德距(ju)(ju)離(li)(li)選(xuan)擇(ze)樣(yang)(yang)(yang)本(ben)。前(qian)兩個樣(yang)(yang)(yang)本(ben)相距(ju)(ju)*遠。以下樣(yang)(yang)(yang)本(ben)是通過與(yu)之(zhi)前(qian)選(xuan)擇(ze)的(de)樣(yang)(yang)(yang)本(ben)的(de)距(ju)(ju)離(li)(li)來選(xuan)擇(ze)的(de)。校準(zhun)組(zu)中不同樣(yang)(yang)(yang)品量的(de)校準(zhun)。選(xuan)擇(ze)校準(zhun)中使(shi)用(yong)的(de)樣(yang)(yang)(yang)本(ben)數量來生成(cheng)顯示測試組(zu)樣(yang)(yang)(yang)本(ben)的(de)*小誤差(cha)模(mo)(mo)型(xing)。校準(zhun)模(mo)(mo)型(xing)采(cai)用(yong)*小二乘(cheng)擬合，表面積由亞甲基(ji)藍和(he)碘值確(que)定，總孔(kong)體(ti)積和(he)微孔(kong)體(ti)積估計。Matlab用(yong)于計算程序的(de)軟件。

　　結果分析：

　　*初建(jian)(jian)立(li)表面圖，檢查活性炭樣品的(de)(de)(de)表面積(ji)(ji)、總孔(kong)(kong)體(ti)積(ji)(ji)和微孔(kong)(kong)體(ti)積(ji)(ji)與亞甲藍和碘值之間(jian)的(de)(de)(de)關(guan)系。使用實驗部分(fen)引用的(de)(de)(de)樣品的(de)(de)(de)數據構建(jian)(jian)圖(圖1S，補充材料)。

　　在所有情況下，亞(ya)甲(jia)基藍(lan)和(he)碘的(de)(de)數(shu)量(liang)隨著表面(mian)積(ji)和(he)孔(kong)體積(ji)的(de)(de)比例而(er)增加，這表明它們是測量(liang)這些性質的(de)(de)有趣探(tan)針。事實(shi)上，亞(ya)甲(jia)基藍(lan)分子(zi)的(de)(de)面(mian)積(ji)為15.08納米2，只能進(jin)入(ru)大微(wei)(wei)孔(kong)和(he)中孔(kong)。5碘分子(zi)面(mian)積(ji)小15 為0.4nm 并且(qie)可以(yi)進(jin)入(ru)較小的(de)(de)微(wei)(wei)孔(kong)。

　　表面積建模

　　使用二次模型(xing)來描述與(yu)表面積(ji)相比的亞(ya)甲(jia)基(ji)藍和碘(dian)的數量(liang)。對于模型(xing)開發(fa)，Kennard-Stone從105個(ge)樣本中選擇27個(ge)樣本進行校準。樣品表面積(ji)從199到2105 m 2 g -1不等。亞(ya)甲(jia)基(ji)藍的數量(liang)在0到501毫(hao)克之間(jian)，碘(dian)值(zhi)從155到1670毫(hao)克之間(jian)。建模后獲得(de)的表面擬合(圖1)由公式4描述。

　　考慮到我們獲得的(de)文獻和(he)數(shu)據中(zhong)的(de)數(shu)據，通過該方程的(de)表面積預測測試(shi)(shi)了78個測試(shi)(shi)樣品。圖2顯示了等式4預測的(de)值和(he)實驗BET值之(zhi)間的(de)比較(jiao)。

　　觀察值(zhi)之(zhi)間(jian)的良好相關性表明該模(mo)(mo)型具(ju)有良好的預(yu)測(ce)能力。測(ce)試樣(yang)品(pin)中(zhong)觀察到的平均(jun)絕(jue)對(dui)誤(wu)差為(wei)77.8米2 克-1的平均(jun)相對(dui)誤(wu)差為(wei)11.8%。表1給出了模(mo)(mo)型的統計參數。

　　據報道，碘(dian)值可(ke)通(tong)過每次吸附1mg碘(dian)的(de)表面積(ji)1m 為活(huo)性炭(tan)表面積(ji)提供(gong)關系。這一考慮是在本(ben)工作中使(shi)(shi)用的(de)數據完成(cheng)的(de)，但(dan)誤(wu)差明顯高于(yu)使(shi)(shi)用等式(shi)4估(gu)計(ji)(ji)表面積(ji)時觀察到的(de)誤(wu)差。*小二乘法擬(ni)合只能考慮碘(dian)值，但(dan)誤(wu)差仍高于(yu)使(shi)(shi)用公式(shi)4時得到的(de)誤(wu)差。因此，碘(dian)值和亞甲基藍值對于(yu)估(gu)計(ji)(ji)活(huo)性炭(tan)的(de)表面積(ji)很重要，因為這些材料有不(bu)同的(de)孔徑，可(ke)以根(gen)據孔隙幾何結構由不(bu)同的(de)分子獲得。

　　微孔體積建模

　　微孔體積也用二次模型描述(shu)(shu)為亞甲藍和(he)碘(dian)值的(de)(de)(de)函數。該模型是在共50個(ge)樣(yang)本的(de)(de)(de)幫助下建(jian)立起來的(de)(de)(de)，其中包括KS校(xiao)準選擇了14個(ge)樣(yang)本。校(xiao)準范圍為0.05至(zhi)0.99cm 3 g -1.亞甲藍號(hao)-1和(he)碘(dian)號(hao)從(cong)2到(dao)(dao)427毫克(ke)從(cong)195到(dao)(dao)1670毫克(ke)-1變化。建(jian)模導致(zhi)表面(mian)擬合(圖3)，由公式5描述(shu)(shu):

　　該方程適用于微(wei)孔體積預測(ce)，評估包含文獻中的(de)(de)(de)數據(ju)和我們獲得的(de)(de)(de)數據(ju)的(de)(de)(de)測(ce)試(shi)(shi)樣本。共測(ce)試(shi)(shi)了36個樣本。圖(tu)形比較（圖(tu)4）表明該模型具有良好的(de)(de)(de)預測(ce)能力。測(ce)試(shi)(shi)樣品組的(de)(de)(de)平均絕(jue)對誤差為0.05cm 3 g -1.平均相對誤差為16.4%。表2給出了模型的(de)(de)(de)統計參數。

　　由于(yu)微(wei)孔的尺寸優(you)先考(kao)慮碘分子(zi)，碘值也(ye)直(zhi)接通過(guo)*小二乘回歸與微(wei)孔體(ti)積相(xiang)關。然而，誤(wu)(wu)差(cha)高(gao)于(yu)考(kao)慮亞甲藍和碘值時的誤(wu)(wu)差(cha)。這表(biao)明(ming)亞甲藍對(dui)微(wei)孔體(ti)積預(yu)測(ce)有(you)一定的貢獻，可能是由于(yu)大微(wei)孔的吸附。

　　總孔體積建模

　　亞甲藍與碘值與總孔容之(zhi)間的(de)關(guan)系是(shi)通過(guo)線(xian)性(xing)模(mo)型(xing)建立的(de)。Kennard-Stone從39中選擇的(de)10個樣本(ben)對表(biao)面(mian)進(jin)行(xing)建模(mo)(圖5)。

　　校準范(fan)圍(wei)被認為(wei)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)克變化的亞甲基藍(lan)數字-1。公(gong)式(shi)6描述了該模型：

　　將29個(ge)樣(yang)品的(de)(de)測(ce)試組應用于(yu)測(ce)試總孔(kong)體積預測(ce)的(de)(de)方程。預測(ce)值與參考值的(de)(de)一(yi)致性良(liang)好。.04cm 3 g -平均絕(jue)對誤(wu)差(cha)和13.4%的(de)(de)平均相對誤(wu)差(cha)。表3給出(chu)了模型(xing)的(de)(de)統計參數(shu)。

　　在本(ben)文中，我們展示了如(ru)何(he)利用碘值(zhi)和(he)亞(ya)甲(jia)藍數來(lai)估計活性炭樣品的(de)表(biao)面積(ji)、微孔體(ti)積(ji)和(he)總孔體(ti)積(ji)。用于(yu)測(ce)定碘和(he)亞(ya)甲(jia)藍數量的(de)程序相對(dui)便宜(yi)和(he)簡單，并(bing)且不(bu)需要使用復雜的(de)設備。此外，開發的(de)方法(fa)允許從亞(ya)甲(jia)基藍和(he)碘吸(xi)附(fu)(fu)研究中提取(qu)比(bi)通常使用這(zhe)種材(cai)料更多(duo)的(de)信息。雖然(ran)這(zhe)種方法(fa)不(bu)能(neng)取(qu)代活性炭的(de)適(shi)當紋理特性，但對(dui)于(yu)沒(mei)有(you)氣體(ti)吸(xi)附(fu)(fu)實驗(yan)設備的(de)實驗(yan)室來(lai)說，非常有(you)價(jia)值(zhi)的(de)。