第19卷 第2期 2004年4月
化学实验
活性炭在醋酸水溶液中对醋酸的吸附
实验条件探索
夏春兰 王聪玲 楼台芳
(武汉大学化学与分子科学学院 武汉430072)
摘要 通过活性炭在醋酸水溶液中对醋酸的吸附实验,确定合适的醋酸水溶液浓度范围和振
荡时间等实验条件,该实验条件随实验温度变化而不同。用SA3100表面积分析仪测定活性炭的
比表面积,并与该方法测定的活性炭比表面积数值进行比较,分析了该实验方法产生误差的原因。
多孔或高度分散的吸附剂对气体或液体具有较强的吸附能力,吸附剂吸附能力的大小与 其比表面积有关。比表面积是评价吸附剂、催化剂性能的重要数据;测定比表面积是大学物理
化学实验中的一个重要实验。由于吸附剂表面结构的不同,对不同吸附质的相互作用也不同, 因而吸附剂对吸附质的吸附具有选择性,例如活性炭在醋酸水溶液中对醋酸的吸附。
本实验在一定温度下,通过控制不同的醋酸水溶液浓度和振荡时间,测定活性炭在醋酸水 溶液中对醋酸的吸附量,确定合适的醋酸水溶液浓度范围和振荡时间等实验条件,发现该实验 条件随实验温度变化而有所不同;用美国BECKMANCOULTER公司的SA3100SurfaceArea Analyzer(表面积分析仪)测定活性炭的比表面积,与该方法测定的活性炭比表面积数值进行 比较,分析该实验方法产生误差的原因。
1 实验条件选择
实验方法见北京大学《物理化学实验》中固体在溶液中的吸附实验
[1]
。实验体系为活性
炭在醋酸水溶液中对醋酸的吸附,活性炭为分析纯,20目。实验前将活性炭在100℃以上烘 干,抽真空24h。数据处理采用Origin软件,拟合直线的相关系数大于0. 99。
1. 1 醋酸水溶液浓度范围的选择
实验温度24. 0℃,振荡时间1. 0h。整个实验中振荡速度相同,以活性炭能翻起为准。实 验结果见表1。
表1 活性炭在不同浓度醋酸水溶液中对醋酸的吸附实验数据(实验温度24.0℃)
c
mol·L
- 1
c
mol·L
- 1
m
g
Г
mol·g
- 1
mol·L
- 1
c
mol·L
- 1
m
g
Г
mol·g
- 1
0. 0234 0. 0127 1. 0032 5. 33×10
- 4
0. 3517 0. 3096 1. 0087 0. 00209
0. 0469 0. 0321 1. 0072 7. 35×10
- 4
0. 4689 0. 4134 1. 0013 0. 00277
0. 0938 0. 0676 1. 0011 0. 00131 0. 5862 0. 5201 1. 0077 0. 00328
0. 1407 0. 1087 1. 0006 0. 00160 0. 7034 0. 6364 1. 0016 0. 00334
0. 2345 0. 1927 1. 0042 0. 00208 0. 9378 0. 8594 1. 0020 0. 00391
0 4
大学化学
表1中c
0为醋酸溶液的初始浓度,c为吸附后醋酸溶液的平衡浓度, m为活性炭的质量,
Г为吸附量。Г=(c
- c) V/ m, V=0. 05L。吸附等温线见图1。
由图1可知,浓度较低时吸附量随浓度的增加上升较快,随着浓度的增加,吸附量上升减 缓,吸附逐渐趋于饱和。
当溶液浓度较低时,吸附为单分子层吸附,可用Langmuir公式分析。
Langmuir吸附方程式: Γ=Γ∞
cK
1+ Kc
演算得:
1
Γ
=
1
Γ∞K
×
1
c
+
Γ∞
以
1
Γ
对
1
c
作图,可以看出初始浓度大于0. 3517mol/ L的第6～10点不在直线上,即该5个
点不符合Langmuir公式,因此取浓度较低的前5个点拟合直线,如图2。
图1 活性炭对醋酸的吸附等温线 图2
1
Γ
2
1
c
拟合直线图(活性炭吸附醋酸)
由图2可知,拟合的直线为1/Γ=329+32. 5/ c, R=0. 9955。因此在24. 0℃时选择醋酸 溶液的浓度范围为0. 0234～0. 2345mol/ L。
图2中拟合直线的截距为329,Γ∞为截距的倒数,则饱和吸附量Γ∞为3. 04×10 - 3
mol/
g。比表面积S
0 =Γ∞×6. 023×10
23
×24. 3×10
- 20
m
2
/ g,其中6. 023×10
23
为阿伏加德罗常
数,24. 3×10
- 20
为醋酸单分子所占的面积(m
2
) ,由此计算出活性炭的比表面积为444m
2
/ g。
1. 2 振荡时间的选择
实验温度24. 0℃,振荡时间分别为0. 5、1. 0、1. 5和2. 0h。数据处理方法同1. 1。实验数
据见表2。
表2 不同振荡时间的实验数据(实验温度24.0℃)
振荡0. 5h 振荡1. 5h 振荡2. 5h
c
mol·L
- 1
c
mol·L
- 1
m
g
c
mol·L
- 1
c
mol·L
- 1
m
g
c
mol·L
- 1
c
mol·L
- 1
m
g
0. 0234 0. 0124 1. 0154 0. 0234 0. 015 1. 1101 0. 0234 0. 0113 1. 0567
0. 0469 0. 0297 1. 0903 0. 0469 0. 0292 1. 043 0. 0469 0. 0298 1. 0793
0. 0938 0. 0676 1. 0217 0. 0938 0. 0676 1. 0225 0. 0938 0. 0651 1. 0808
0. 1407 0. 1077 1. 0637 0. 1407 0. 1102 1. 0024 0. 1407 0. 1057 1. 0102
0. 2345 0. 1949 1. 0422 0. 2345 0. 1879 1. 0137 0. 2345 0. 1942 1. 0479
0. 3517 0. 3032 1. 0247 0. 3517 0. 3007 1. 0821 0. 3517 0. 2989 1. 0566
1 4
振荡0. 5h,拟合直线为1/Γ=373+26. 8/ c(取1～5点) , R=0. 9972,S
0 =392m
2
/ g。
振荡1h的实验数据见表1,拟合的直线为1/Γ=329+32. 5/ c(取1～5点) , R=0. 9955, S
0 =444m
2
/ g。
振荡1. 5h,拟合直线为1/Γ=288+35. 3/ c(取1～4、6点) , R=0. 9992,S
0 =508m
2
/ g。
振荡2. 0h,拟合直线为1/Γ=333+27. 6/ c(取1～5点) , R=0. 9968,S
0 =439m
2
/ g。
多次实验发现,振荡时间过短或过长,测得的比表面积都会偏小。振荡时间过短则吸附未 达到平衡,而振荡时间过长会使醋酸解吸。因此只有选择合适的振荡时间,测得的比表面积才 较准确,即存在一个最佳振荡时间。最佳振荡时间应选择测得的比表面积最大的时间,在
24. 0℃下选择振荡时间为1. 5h。
1. 3 实验温度对实验条件的影响
吸附受温度的影响很大,因此不同的实验温度应选择不同的实验条件(这里所说实验条件
指醋酸溶液浓度范围和振荡时间) 。多次实验发现,随着实验温度的下降,选择的醋酸溶液初 始浓度应降低,振荡时间应增加。
不同实验温度测得的活性炭比表面积见表3。
表3 不同实验温度测得的活性炭比表面积
25. 0℃ 24. 0℃ 23. 0℃ 18. 0℃ 5. 0℃
t振荡
h
S
m
2
·g
- 1
t振荡
h
S
m
2
·g
- 1
t振荡
h
S
m
2
·g
- 1
t振荡
h
S
m
2
·g
- 1
t振荡
h
S
m
2
·g
- 1
0. 5 450 0. 5 392 0. 5 330 1. 0 398 1. 0 394
1. 0 504 1. 0 444 1. 0 336 2. 0 405 2. 0 654
1. 5 458 1. 5 508 1. 5 406 2. 5 310 2. 5 473
2. 0 340 2. 0 439 2. 0 311 3. 0 343 3. 0 532
实验得出不同实验温度下应选择的实验条件见表4。
表4 不同实验温度下应选择的实验条件
t/ ℃ c
/ (mol·L
- 1
) t振荡/ h
28. 0 0. 0234～0. 3517 0. 5
25. 0 0. 0234～0. 2345 1. 0
24. 0 0. 0234～0. 2345 1. 5
18. 0 0. 0234～0. 2345 2. 0
5. 0 0. 0234～0. 2345 2. 0
2 用SA3100表面积分析仪测定活性炭的比表面积
(1) 实验方法:称取活性炭约0. 1g(根据仪器要求,样品比表面积大于30m
2
/ g,最佳样品
量为0. 1～0. 2g) ,在300℃下脱气60min。然后在液氮( - 196℃)环境中吸附N2
,测定氮气相
对压力为0～0. 2时的吸附等温线。
(2) 计算方法:采用多分子吸附BET公式,仪器自动分析、计算,得到0℃时活性炭的比表 面积。
测定的吸附等温线如图3。
测试数据见表5。
2 4
图3 活性炭对N2 的吸附等温线
表5 SA3100表面积分析仪测定活性炭比表面积的部分数据
p
s
/ p
o
V
cm
3
·g
- 1
( p
s
/ p
o
)/ V(1- p
s
/ p
o
))
g·cm
- 3
p
s
/ p
o
V
cm
3
·g
- 1
( p
s
/ p
o
)/ V(1- p
s
/ p
o
))
g·cm
- 3
0. 0512 248. 1 2. 18×10
- 4
0. 1158 264. 6 4. 95×10
- 4
0. 0610 251. 7 2. 58×10
- 4
0. 1342 267. 6 5. 79×10
- 4
0. 0709 254. 7 2. 99×10
- 4
0. 1552 270. 5 6. 79×10
- 4
0. 0807 257. 4 3. 41×10
- 4
0. 1756 273. 0 7. 80×10
- 4
0. 1010 261. 9 4. 29×10
- 4
表5中p
s 为N2的压力, p
o为N2的饱和压力, p
s
/ p
o 为N2 的相对压力, V为N2 的吸附
体积。
根据BET公式,将(p
s
/ p
o
)/ (V(1- p
s
/ p
o
))对p
s
/ p
o作图并拟合直线,如图4。
图4
p
s
/ p
o
V(1- p
s
/ p
o
)
对
p
s
p
o
的拟合直线图(活性炭吸附N2
)
由图4可知,拟合直线为(p
s
/ p
o
)/ (V(1- p
s
/ p
o
)) = - 3. 20×10
- 5
+4. 64×10
- 3
×p
s
/
p
o
, R=0. 999。Vm=1/ (截距+斜率) ,Vm=217cm
3
, Vm为气体在固体表面上形成单分子层
时的吸附体积。活性炭的比表面积为:
S =
VmNAσ
22. 4×10
3
m
2
/ g
式中NA为阿伏加德罗常数,σ为一个N2 分子的截面积,为16. 2×10
- 20
m
2
,计算得活性
炭的比表面积S为945m
2
/ g。
3 4
活性炭在醋酸水溶液中对醋酸的吸附和活性炭在液氮环境中对N2 的吸附两种方法的实
验条件及实验结果比较,见表6。
表6 两种方法的实验条件及实验结果比较
实验方法 使用仪器 吸附质 实验温度 吸附类型 计算公式 比表面积
活性炭在醋酸水溶
液中对醋酸的吸附
HY24调速多
用振荡器
醋酸 室温 物理吸附,
单分子层
Langmuir 公式
508m
2
/g(24. 0℃)
活性炭在液氮环境
中对N2的吸附
SA3100表面
积分析仪
N2 - 196℃ 物理吸附,
多分子层
BET公式
945m
2
/g(0. 0℃)
用活性炭在醋酸水溶液中对醋酸的吸附方法测定的活性炭比表面积比实际值小,原因是:
(1) 活性炭表面上吸附有水分子,而计算时忽略了被水分子占据的表面积。
(2) 活性炭表面上有小孔,有的小孔脂肪酸不能钻进去
[1]
。
3 活性炭在醋酸水溶液中对醋酸的吸附方法测定活性炭比表面积误差分析
除了上述该方法测得的活性炭比表面积比实际值小的两个原因之外,该实验过程中产生 误差的原因有:
(1) 吸附受温度的影响很大,不同的实验温度测得的比表面积数值不同。
(2) 实验条件影响比表面积的测定值,根据实验温度选择合适的醋酸溶液浓度范围和振 荡时间。醋酸溶液浓度太小,吸附达到平衡的时间延长;醋酸溶液浓度太大,不符合Langmuir 单分子层吸附公式。振荡时间过短或过长,测得的比表面积数值都会偏小。
(3) 活性炭的前处理及保存影响比表面积的测定值。新鲜的活性炭应在100℃以上烘干, 抽真空24h。用过的活性炭先用蒸馏水浸泡、超声清洗至水中性,在100℃以上烘干,再抽真空 24h,回收使用,密封保存。
(4) 活性炭在称量过程中,由于暴露在空气中,会吸附空气中的气体,因而导致测定的活 性炭比表面积偏小。应尽量减少活性炭暴露在空气中的时间。
(5) 准确的醋酸溶液浓度很重要,醋酸溶液浓度的微小误差可导致比表面积较大的误差。 因此,配置和测定醋酸溶液浓度要准确,且操作过程中要防止醋酸的挥发。
(6) 操作中应先配置好醋酸溶液,最后加入活性炭,防止活性炭吸附水而产生误差。
(7) 数据处理的方法对结果影响也很大,数据处理的方法不同,则截距不同,因而影响比 表面积的数值。要求用计算机处理数据,拟合直线的线性相关系数0. 99以上。
4 总结
(1) 该方法实验条件随实验温度而定,不同的实验温度应选择不同的醋酸溶液浓度范围 和不同的振荡时间。
(2) 该方法测定的活性炭比表面积比实际值小,可用SA3100表面积分析仪测定活性炭比 表面积,并比较两种方法的实验条件和实验结果。
(3) 分析了该方法测定活性炭比表面积的误差来源及减小误差的方法。
参 考 文 献
1 北京大学化学系物理化学教研室. 物理化学实验. 第3版. 北京:北京大学出版社,1995 4 4
第19卷 第2期 2004年4月
化学实验
活性炭在醋酸水溶液中对醋酸的吸附
实验条件探索
夏春兰 王聪玲 楼台芳
(武汉大学化学与分子科学学院 武汉430072)
摘要 通过活性炭在醋酸水溶液中对醋酸的吸附实验,确定合适的醋酸水溶液浓度范围和振
荡时间等实验条件,该实验条件随实验温度变化而不同。用SA3100表面积分析仪测定活性炭的
比表面积,并与该方法测定的活性炭比表面积数值进行比较,分析了该实验方法产生误差的原因。
多孔或高度分散的吸附剂对气体或液体具有较强的吸附能力,吸附剂吸附能力的大小与 其比表面积有关。比表面积是评价吸附剂、催化剂性能的重要数据;测定比表面积是大学物理
化学实验中的一个重要实验。由于吸附剂表面结构的不同,对不同吸附质的相互作用也不同, 因而吸附剂对吸附质的吸附具有选择性,例如活性炭在醋酸水溶液中对醋酸的吸附。
本实验在一定温度下,通过控制不同的醋酸水溶液浓度和振荡时间,测定活性炭在醋酸水 溶液中对醋酸的吸附量,确定合适的醋酸水溶液浓度范围和振荡时间等实验条件,发现该实验 条件随实验温度变化而有所不同;用美国BECKMANCOULTER公司的SA3100SurfaceArea Analyzer(表面积分析仪)测定活性炭的比表面积,与该方法测定的活性炭比表面积数值进行 比较,分析该实验方法产生误差的原因。
1 实验条件选择
实验方法见北京大学《物理化学实验》中固体在溶液中的吸附实验
[1]
。实验体系为活性
炭在醋酸水溶液中对醋酸的吸附,活性炭为分析纯,20目。实验前将活性炭在100℃以上烘 干,抽真空24h。数据处理采用Origin软件,拟合直线的相关系数大于0. 99。
1. 1 醋酸水溶液浓度范围的选择
实验温度24. 0℃,振荡时间1. 0h。整个实验中振荡速度相同,以活性炭能翻起为准。实 验结果见表1。
表1 活性炭在不同浓度醋酸水溶液中对醋酸的吸附实验数据(实验温度24.0℃)
c
mol·L
- 1
c
mol·L
- 1
m
g
Г
mol·g
- 1
mol·L
- 1
c
mol·L
- 1
m
g
Г
mol·g
- 1
0. 0234 0. 0127 1. 0032 5. 33×10
- 4
0. 3517 0. 3096 1. 0087 0. 00209
0. 0469 0. 0321 1. 0072 7. 35×10
- 4
0. 4689 0. 4134 1. 0013 0. 00277
0. 0938 0. 0676 1. 0011 0. 00131 0. 5862 0. 5201 1. 0077 0. 00328
0. 1407 0. 1087 1. 0006 0. 00160 0. 7034 0. 6364 1. 0016 0. 00334
0. 2345 0. 1927 1. 0042 0. 00208 0. 9378 0. 8594 1. 0020 0. 00391
0 4
大学化学
表1中c
0为醋酸溶液的初始浓度,c为吸附后醋酸溶液的平衡浓度, m为活性炭的质量,
Г为吸附量。Г=(c
- c) V/ m, V=0. 05L。吸附等温线见图1。
由图1可知,浓度较低时吸附量随浓度的增加上升较快,随着浓度的增加,吸附量上升减 缓,吸附逐渐趋于饱和。
当溶液浓度较低时,吸附为单分子层吸附,可用Langmuir公式分析。
Langmuir吸附方程式: Γ=Γ∞
cK
1+ Kc
演算得:
1
Γ
=
1
Γ∞K
×
1
c
+
Γ∞
以
1
Γ
对
1
c
作图,可以看出初始浓度大于0. 3517mol/ L的第6～10点不在直线上,即该5个
点不符合Langmuir公式,因此取浓度较低的前5个点拟合直线,如图2。
图1 活性炭对醋酸的吸附等温线 图2
1
Γ
2
1
c
拟合直线图(活性炭吸附醋酸)
由图2可知,拟合的直线为1/Γ=329+32. 5/ c, R=0. 9955。因此在24. 0℃时选择醋酸 溶液的浓度范围为0. 0234～0. 2345mol/ L。
图2中拟合直线的截距为329,Γ∞为截距的倒数,则饱和吸附量Γ∞为3. 04×10 - 3
mol/
g。比表面积S
0 =Γ∞×6. 023×10
23
×24. 3×10
- 20
m
2
/ g,其中6. 023×10
23
为阿伏加德罗常
数,24. 3×10
- 20
为醋酸单分子所占的面积(m
2
) ,由此计算出活性炭的比表面积为444m
2
/ g。
1. 2 振荡时间的选择
实验温度24. 0℃,振荡时间分别为0. 5、1. 0、1. 5和2. 0h。数据处理方法同1. 1。实验数
据见表2。
表2 不同振荡时间的实验数据(实验温度24.0℃)
振荡0. 5h 振荡1. 5h 振荡2. 5h
c
mol·L
- 1
c
mol·L
- 1
m
g
c
mol·L
- 1
c
mol·L
- 1
m
g
c
mol·L
- 1
c
mol·L
- 1
m
g
0. 0234 0. 0124 1. 0154 0. 0234 0. 015 1. 1101 0. 0234 0. 0113 1. 0567
0. 0469 0. 0297 1. 0903 0. 0469 0. 0292 1. 043 0. 0469 0. 0298 1. 0793
0. 0938 0. 0676 1. 0217 0. 0938 0. 0676 1. 0225 0. 0938 0. 0651 1. 0808
0. 1407 0. 1077 1. 0637 0. 1407 0. 1102 1. 0024 0. 1407 0. 1057 1. 0102
0. 2345 0. 1949 1. 0422 0. 2345 0. 1879 1. 0137 0. 2345 0. 1942 1. 0479
0. 3517 0. 3032 1. 0247 0. 3517 0. 3007 1. 0821 0. 3517 0. 2989 1. 0566
1 4
振荡0. 5h,拟合直线为1/Γ=373+26. 8/ c(取1～5点) , R=0. 9972,S
0 =392m
2
/ g。
振荡1h的实验数据见表1,拟合的直线为1/Γ=329+32. 5/ c(取1～5点) , R=0. 9955, S
0 =444m
2
/ g。
振荡1. 5h,拟合直线为1/Γ=288+35. 3/ c(取1～4、6点) , R=0. 9992,S
0 =508m
2
/ g。
振荡2. 0h,拟合直线为1/Γ=333+27. 6/ c(取1～5点) , R=0. 9968,S
0 =439m
2
/ g。
多次实验发现,振荡时间过短或过长,测得的比表面积都会偏小。振荡时间过短则吸附未 达到平衡,而振荡时间过长会使醋酸解吸。因此只有选择合适的振荡时间,测得的比表面积才 较准确,即存在一个最佳振荡时间。最佳振荡时间应选择测得的比表面积最大的时间,在
24. 0℃下选择振荡时间为1. 5h。
1. 3 实验温度对实验条件的影响
吸附受温度的影响很大,因此不同的实验温度应选择不同的实验条件(这里所说实验条件
指醋酸溶液浓度范围和振荡时间) 。多次实验发现,随着实验温度的下降,选择的醋酸溶液初 始浓度应降低,振荡时间应增加。
不同实验温度测得的活性炭比表面积见表3。
表3 不同实验温度测得的活性炭比表面积
25. 0℃ 24. 0℃ 23. 0℃ 18. 0℃ 5. 0℃
t振荡
h
S
m
2
·g
- 1
t振荡
h
S
m
2
·g
- 1
t振荡
h
S
m
2
·g
- 1
t振荡
h
S
m
2
·g
- 1
t振荡
h
S
m
2
·g
- 1
0. 5 450 0. 5 392 0. 5 330 1. 0 398 1. 0 394
1. 0 504 1. 0 444 1. 0 336 2. 0 405 2. 0 654
1. 5 458 1. 5 508 1. 5 406 2. 5 310 2. 5 473
2. 0 340 2. 0 439 2. 0 311 3. 0 343 3. 0 532
实验得出不同实验温度下应选择的实验条件见表4。
表4 不同实验温度下应选择的实验条件
t/ ℃ c
/ (mol·L
- 1
) t振荡/ h
28. 0 0. 0234～0. 3517 0. 5
25. 0 0. 0234～0. 2345 1. 0
24. 0 0. 0234～0. 2345 1. 5
18. 0 0. 0234～0. 2345 2. 0
5. 0 0. 0234～0. 2345 2. 0
2 用SA3100表面积分析仪测定活性炭的比表面积
(1) 实验方法:称取活性炭约0. 1g(根据仪器要求,样品比表面积大于30m
2
/ g,最佳样品
量为0. 1～0. 2g) ,在300℃下脱气60min。然后在液氮( - 196℃)环境中吸附N2
,测定氮气相
对压力为0～0. 2时的吸附等温线。
(2) 计算方法:采用多分子吸附BET公式,仪器自动分析、计算,得到0℃时活性炭的比表 面积。
测定的吸附等温线如图3。
测试数据见表5。
2 4
图3 活性炭对N2 的吸附等温线
表5 SA3100表面积分析仪测定活性炭比表面积的部分数据
p
s
/ p
o
V
cm
3
·g
- 1
( p
s
/ p
o
)/ V(1- p
s
/ p
o
))
g·cm
- 3
p
s
/ p
o
V
cm
3
·g
- 1
( p
s
/ p
o
)/ V(1- p
s
/ p
o
))
g·cm
- 3
0. 0512 248. 1 2. 18×10
- 4
0. 1158 264. 6 4. 95×10
- 4
0. 0610 251. 7 2. 58×10
- 4
0. 1342 267. 6 5. 79×10
- 4
0. 0709 254. 7 2. 99×10
- 4
0. 1552 270. 5 6. 79×10
- 4
0. 0807 257. 4 3. 41×10
- 4
0. 1756 273. 0 7. 80×10
- 4
0. 1010 261. 9 4. 29×10
- 4
表5中p
s 为N2的压力, p
o为N2的饱和压力, p
s
/ p
o 为N2 的相对压力, V为N2 的吸附
体积。
根据BET公式,将(p
s
/ p
o
)/ (V(1- p
s
/ p
o
))对p
s
/ p
o作图并拟合直线,如图4。
图4
p
s
/ p
o
V(1- p
s
/ p
o
)
对
p
s
p
o
的拟合直线图(活性炭吸附N2
)
由图4可知,拟合直线为(p
s
/ p
o
)/ (V(1- p
s
/ p
o
)) = - 3. 20×10
- 5
+4. 64×10
- 3
×p
s
/
p
o
, R=0. 999。Vm=1/ (截距+斜率) ,Vm=217cm
3
, Vm为气体在固体表面上形成单分子层
时的吸附体积。活性炭的比表面积为:
S =
VmNAσ
22. 4×10
3
m
2
/ g
式中NA为阿伏加德罗常数,σ为一个N2 分子的截面积,为16. 2×10
- 20
m
2
,计算得活性
炭的比表面积S为945m
2
/ g。
3 4
活性炭在醋酸水溶液中对醋酸的吸附和活性炭在液氮环境中对N2 的吸附两种方法的实
验条件及实验结果比较,见表6。
表6 两种方法的实验条件及实验结果比较
实验方法 使用仪器 吸附质 实验温度 吸附类型 计算公式 比表面积
活性炭在醋酸水溶
液中对醋酸的吸附
HY24调速多
用振荡器
醋酸 室温 物理吸附,
单分子层
Langmuir 公式
508m
2
/g(24. 0℃)
活性炭在液氮环境
中对N2的吸附
SA3100表面
积分析仪
N2 - 196℃ 物理吸附,
多分子层
BET公式
945m
2
/g(0. 0℃)
用活性炭在醋酸水溶液中对醋酸的吸附方法测定的活性炭比表面积比实际值小,原因是:
(1) 活性炭表面上吸附有水分子,而计算时忽略了被水分子占据的表面积。
(2) 活性炭表面上有小孔,有的小孔脂肪酸不能钻进去
[1]
。
3 活性炭在醋酸水溶液中对醋酸的吸附方法测定活性炭比表面积误差分析
除了上述该方法测得的活性炭比表面积比实际值小的两个原因之外,该实验过程中产生 误差的原因有:
(1) 吸附受温度的影响很大,不同的实验温度测得的比表面积数值不同。
(2) 实验条件影响比表面积的测定值,根据实验温度选择合适的醋酸溶液浓度范围和振 荡时间。醋酸溶液浓度太小,吸附达到平衡的时间延长;醋酸溶液浓度太大,不符合Langmuir 单分子层吸附公式。振荡时间过短或过长,测得的比表面积数值都会偏小。
(3) 活性炭的前处理及保存影响比表面积的测定值。新鲜的活性炭应在100℃以上烘干, 抽真空24h。用过的活性炭先用蒸馏水浸泡、超声清洗至水中性,在100℃以上烘干,再抽真空 24h,回收使用,密封保存。
(4) 活性炭在称量过程中,由于暴露在空气中,会吸附空气中的气体,因而导致测定的活 性炭比表面积偏小。应尽量减少活性炭暴露在空气中的时间。
(5) 准确的醋酸溶液浓度很重要,醋酸溶液浓度的微小误差可导致比表面积较大的误差。 因此,配置和测定醋酸溶液浓度要准确,且操作过程中要防止醋酸的挥发。
(6) 操作中应先配置好醋酸溶液,最后加入活性炭,防止活性炭吸附水而产生误差。
(7) 数据处理的方法对结果影响也很大,数据处理的方法不同,则截距不同,因而影响比 表面积的数值。要求用计算机处理数据,拟合直线的线性相关系数0. 99以上。
4 总结
(1) 该方法实验条件随实验温度而定,不同的实验温度应选择不同的醋酸溶液浓度范围 和不同的振荡时间。
(2) 该方法测定的活性炭比表面积比实际值小,可用SA3100表面积分析仪测定活性炭比 表面积,并比较两种方法的实验条件和实验结果。
(3) 分析了该方法测定活性炭比表面积的误差来源及减小误差的方法。
参 考 文 献
1 北京大学化学系物理化学教研室. 物理化学实验. 第3版. 北京:北京大学出版社,1995 4 4