青海估算活性炭表面积和孔体积

　　估算活性炭表面积和孔体积

　　活性炭是各种工艺中非常重要的多孔材料。活性炭的主要用途是吸附气相或液相中的污染物，储存气体 并用作催化剂载体。活性炭等多孔材料通常有几个物理参数，如表面积和孔隙体积。在这些材料的开发中，满足这些物理性能是非常重要的，因为它们将直接影响材料在其应用中的性能。

　　通常使用活性炭的表面积BET液氮温度(77)K)氮气在不同压力下吸附。然后根据BET表面积由氮分子的横截面积、阿伏加德罗数和氮的特定单层容量的乘积决定，由氮分子的横截面积决定BET进一步修改提出的等式。氮吸附等温线数据也用于测量孔体积。总孔体积根据*高相对压力下吸附的氮量进行估计，并使用Dubinin-Radushkevich微孔体积从氮吸附等温线计算。虽然这些方法在多孔材料的表面积和孔体积测定中被更多地用作参考，但这些方法耗时且昂贵。

　　通过亚甲基蓝、碘等不同吸附物的吸附特性，可以获得更多关于活性炭结构的信息。这些分子的吸附料吸附能力的信息，这些分子的吸附实验很容易和习惯性地表示活性炭。根据亚甲基蓝分子的大小，它主要吸附在中孔中，但在较大的微孔中也发现了一小部分。至于亚甲蓝，碘分子尺寸较差，可以渗透到微孔中。这些特征赋予了这些分子在活性炭物理结构研究中探针的潜力。尽管如此，亚甲基蓝与碘值的定量关系和活性炭的结构特性还没有详细研究。

　　本文的目的是证明活性炭的表面积，微孔体积和总孔体积可以通过碘和亚甲基蓝的数值进行多元化回归来估算。该方法是考虑从不同的前系统中提取的活性炭样品和从文献中提取的数据。

　　测试实验开始：

　　活性炭样品

　　方法开发了多种活性炭样品的表面积、微孔体积、总孔体积、碘值和亚甲蓝数量。

　　亚甲基蓝(MBN)

　　亚甲蓝数定义为1.0g吸附剂上吸附的染料*多。10..0毫克活性炭被置于与10.处理24小时不同浓度(10、25、50、100、250、500、1000毫克L亚甲蓝溶液-1)，室温下(约25℃)。使用UV / Vis分光光度计(Biosystems SP-2000)在645nm分析亚甲基蓝的剩余浓度。

　　亚甲基蓝液吸附的亚甲基蓝量由式1计算：

　　其中C 0 (mg L -1)是开始时间(t = 0)亚甲基蓝溶液的浓度，C e(mg L -1)平衡亚甲蓝溶液的浓度，V(L)处理溶液体积，M(g)是吸附剂的质量。

　　为了确定Langmuir模型的亚甲基蓝数，使用C e的函数作出q eq曲线。Langmuir参数(q max 和K L)通过*小二乘拟合回归找到。

　　碘值(IN)

　　碘值根据ASTM D4607-94方法测定。碘值定义为0.02N(0.02mol L -1)时，被1.0g碘的毫克数被碳吸附。该方法基于三点等温线。标准碘溶液在特定条件下用三种不同重量的活性炭处理。实验包括用10.0mL的5%HCl处理活性炭样品。将混合物煮30秒，然后冷却。不久之后，将是100.0mL的0.1N(0.1mol L -1)将碘溶液加入混合物中，搅拌30秒。过滤所得溶液50.0毫升滤液滴定用0.1N(0.硫代硫酸钠，1摩尔大号-1)，以淀粉为指示剂。每克碳吸附的碘量(X / M)相对滤液(C)用对数轴绘制中碘浓度。若残留碘浓度(C)不在0.008-0.04 N(0.008-0.04 mol L -在1)范围内，每个等温点应使用不同的碳质重复整个过程。*小二乘拟合回归这三点应用。碘值为残留浓度(C)为0.02N(0.02mol L -1)时的 X / M值。所述X / M和C ^ 等式2和3分别计算值。

　　其中N I 是碘溶液的当量浓度，V I碘溶液的添加量，V HCl是5%HCl加入体积，V F 是滴定中使用的滤液体积，N Na 2 S 2O 3 钠硫代硫酸钠溶液正常，V Na 2 S 2 O 3 是硫代硫酸钠溶液的消耗量，M C 是活性炭的质量。

　　比表面积

　　在77K氮吸附试验用仪器确定试样的比表面积。吸附测量前，样品为180℃过夜放气BET模型拟合氮吸附等温线，评估样品的比表面积。

　　孔体积

　　氮吸附等温线数据被用于估计测试样品的孔体积。总孔体积由相对压力为0.估计98氮吸附量。Dubinin-Radushkevich微孔体积从氮吸附等温线计算。

　　多元回归

　　KS该算法用于分离校准组和测试组中的样品。根据欧几里德几里德距离选择样本。前两个样本相距*远。以下样本是通过与之前选择的样本的距离来选择的。校准组中不同样品量的校准。选择校准中使用的样本数量来生成显示测试组样本的*小误差模型。校准模型采用*小二乘拟合，表面积由亚甲基蓝和碘值确定，总孔体积和微孔体积估计。Matlab用于计算程序的软件。

　　结果分析：

　　*初建立表面图，检查活性炭样品的表面积、总孔体积和微孔体积与亚甲蓝和碘值之间的关系。使用实验部分引用的样品的数据构建图(图1S，补充材料)。

　　在所有情况下，亚甲基蓝和碘的数量随着表面积和孔体积的比例而增加，这表明它们是测量这些性质的有趣探针。事实上，亚甲基蓝分子的面积为15.08纳米2，只能进入大微孔和中孔。5碘分子面积小15 为0.4nm 并且可以进入较小的微孔。

　　表面积建模

　　使用二次模型来描述与表面积相比的亚甲基蓝和碘的数量。对于模型开发，Kennard-Stone从105个样本中选择27个样本进行校准。样品表面积从199到2105 m 2 g -1不等。亚甲基蓝的数量在0到501毫克之间，碘值从155到1670毫克之间。建模后获得的表面拟合(图1)由公式4描述。

　　考虑到我们获得的文献和数据中的数据，通过该方程的表面积预测测试了78个测试样品。图2显示了等式4预测的值和实验BET值之间的比较。

　　观察值之间的良好相关性表明该模型具有良好的预测能力。测试样品中观察到的平均绝对误差为77.8米2 克-1的平均相对误差为11.8%。表1给出了模型的统计参数。

　　据报道，碘值可通过每次吸附1mg碘的表面积1m 为活性炭表面积提供关系。这一考虑是在本工作中使用的数据完成的，但误差明显高于使用等式4估计表面积时观察到的误差。*小二乘法拟合只能考虑碘值，但误差仍高于使用公式4时得到的误差。因此，碘值和亚甲基蓝值对于估计活性炭的表面积很重要，因为这些材料有不同的孔径，可以根据孔隙几何结构由不同的分子获得。

　　微孔体积建模

　　微孔体积也用二次模型描述为亚甲蓝和碘值的函数。该模型是在共50个样本的帮助下建立起来的，其中包括KS校准选择了14个样本。校准范围为0.05至0.99cm 3 g -1.亚甲蓝号-1和碘号从2到427毫克从195到1670毫克-1变化。建模导致表面拟合(图3)，由公式5描述:

　　该方程适用于微孔体积预测，评估包含文献中的数据和我们获得的数据的测试样本。共测试了36个样本。图形比较（图4）表明该模型具有良好的预测能力。测试样品组的平均绝对误差为0.05cm 3 g -1.平均相对误差为16.4%。表2给出了模型的统计参数。

　　由于微孔的尺寸优先考虑碘分子，碘值也直接通过*小二乘回归与微孔体积相关。然而，误差高于考虑亚甲蓝和碘值时的误差。这表明亚甲蓝对微孔体积预测有一定的贡献，可能是由于大微孔的吸附。

　　总孔体积建模

　　亚甲蓝与碘值与总孔容之间的关系是通过线性模型建立的。Kennard-Stone从39中选择的10个样本对表面进行建模(图5)。

　　校准范围被认为是0.09到1.11 cm 3 g -1.碘号从195到1294毫克-1和2到427毫克变化的亚甲基蓝数字-1。公式6描述了该模型：

　　将29个样品的测试组应用于测试总孔体积预测的方程。预测值与参考值的一致性良好。.04cm 3 g -平均绝对误差和13.4%的平均相对误差。表3给出了模型的统计参数。

　　在本文中，我们展示了如何利用碘值和亚甲蓝数来估计活性炭样品的表面积、微孔体积和总孔体积。用于测定碘和亚甲蓝数量的程序相对便宜和简单，并且不需要使用复杂的设备。此外，开发的方法允许从亚甲基蓝和碘吸附研究中提取比通常使用这种材料更多的信息。虽然这种方法不能取代活性炭的适当纹理特性，但对于没有气体吸附实验设备的实验室来说，非常有价值的。