活性炭表面含氧官能团的评价方法
【专利摘要】本发明涉及活性炭材料的性能研究方法，具体为一种活性炭表面含氧官能团的评价方法，包括如下步骤：（1）、采用傅立叶变换红外光谱仪对不同工艺条件的待测炭样进行定性判断其表面含氧官能团的类别；其中，试验条件如下：KBr与炭样质量比例为200：1；品压片厚度为0.8～1.2mm；扫瞄范围4000～450cm-1；扫瞄速度0.20cm/s，扫瞄时间1min，扫瞄次数4；纵坐标单位T%；分辨率4.0cm-1；根据谱峰判定待测炭样表面是否含有羧基、内酯基和酚羟基的含氧官能团，如果含有则进行步骤（2）。
【专利说明】活性炭表面含氧官能团的评价方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及活性炭材料的性能研究方法，具体为一种活性炭表面含氧官能团的评价方法。
【背景技术】
[0002]活性炭具有较高的比表面、丰富的孔结构和易于调变的表面官能团，其表面化学特性对活性炭的表面反应、亲(疏)水性、催化性质和表面电荷等具有很大的影响，这些特性影响催化剂的分散性和活性，吸附剂的吸附行为等。而活性炭表面化学特性很大程度上由表面官能团的类别和数量决定，最常见的官能团是含氧官能团。
[0003]目前，国内尚无一套完善的活性炭表面含氧官能团定性定量方法及规范性的操作规程。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种活性炭表面含氧官能团的评价方法，该评价方法通过大量试验总结出的一种可靠规范的试验方法，为催化剂的催化性能和吸附剂的吸附性能的选择提供理论依据。
[0005]本发明是采用如下技术方案实现的:
一种活性炭表面含氧官能团的评价方法，包括如下步骤:
(I)、采用傅立叶变换红外光谱仪对不同工艺条件的待测炭样进行定性判断其表面含氧官能团的类别；其中，试验条件如下:
溴化钾KBr与待测炭样质量比例为200:1 ;
样品压片厚度为0.8?1.2mm ；
扫瞄范围4000?450CHT1 ；
扫瞄速度0.20cm/s,扫瞄时间lmin，扫瞄次数4 ；
纵坐标单位T% ；
分辨率4.0cnT1 ；
根据谱峰判定待测炭样表面是否含有羧基、内酯基和酚羟基的含氧官能团，如果含有则进行步骤(2)。
[0006](2)、标准溶液的配制和标定
a、0.05mol/L HCl标准溶液的配制与标定；
b、0.05mol/L NaOH标准溶液的配制与标定；
c、0.05mol/L Na2CO3标准溶液的配制与标定；
d、0.05mol/L NaHCO3标准溶液的配制与标定。
[0007](3)、待测炭样的样品粒度200目，120°C烘干24h，采用电子天平精确称取待测炭样至少3份，分别放入锥形三角瓶中，加入上述标准碱液中的一种，振荡24h后过滤并用洗瓶充分洗涤，收集所有滤液，以甲基红为终点指示剂，用HCl标准溶液滴定滤液中尚未反应的碱液至终点。
[0008](4)、结果计算
单位质量活性炭与各标准碱液反应的酸性官能团的含量n (mmol/g),按式(i )、(ii)、(iii)计算:
NaOH的反应量如下
nNaOH- tCNaOH ^ ^NaOH _ CHC1 (^HCl _ Δ V1 _ Vb) ] /ff.....................( i )
Na2CO3的反应量如下
nNa2C03_ t2cNa2c03 ^ VNa2C03 " CHC1 (^HCl ~ ^ ~ Vb) ]/ff............( ? )
NaHCO3的反应量如下
nNaHcce-[cNaHcceX Vmccc " chci (Vhci _ A V3 _ Vb) I /W............(iii)
式中:vb—蒸馏水空白值(mL)；
VHa—滴定所用的盐酸标准溶液的体积(mL)；
Ci一下标对应的标准溶液i的浓度(mol/L)；
W—试样质量(g)；
Δ V—将甲基红的理论指示终点校正到酸碱滴定时理论终点的HCl标准溶液体积修正值。
[0009]Δ V1=(Vn^Vhc1) ([H+]e - [H+]T1)/cHC1........................(iv)
AV2=(2VNa2C03+VHC1)([H+]E - [H+]T2)/cHC1........................(V)
AV3=(Vnhc03+Vhc1)([H+]e - [H+]T3)/cHC1........................(vi)
其中，[H+]K=10_5mol/L，为甲基红理论指示终点的质子浓度；[H+]T1、[H+]T2、[H+]T3分别代表HCl滴定NaOH、Na2CO3和NaHCO3时的理论终点的质子浓度。
[0010]从nNaffl、nNa2C03和nNaHCO3之间的差额可以计算出待测炭样中含氧官能团羧基、内酯基和酚羟基的含量如下:
nEC00H_nNaHC03 ;
nEC00C0E_nNa2C03 ~ nNaHC03 ?
nArOH-nNaOH _ %a2C03o
[0011]在上述试验过程中，只要按上述方法操作就能获得对待测炭样的稳定性强、准确可靠的试验数据，根据实验结果对去除污染空气中有毒成分的专用吸附材料进行选取。
[0012]本发明设计合理，提供一种对任意含有羧基、内酯基和酚羟基等含氧官能团的活性炭吸附材料进行可靠规范试验的方法，为催化剂的催化性能和吸附剂的吸附性能的选择提供理论依据。
【具体实施方式】
[0013]下面对本发明的具体实施例进行详细说明。
[0014]一种活性炭表面含氧官能团的评价方法，包括如下步骤:
(I)、采用美国PE公司的SpectrumlOO型傅立叶变换红外光谱仪对不同工艺条件的待测炭样进行定性判断其表面含氧官能团的类别；其中，试验条件如下:
KBr与炭样质量比例为200:1 ;
样品压片厚度为0.8?1.2mm ； 扫瞄范围4000?450CHT1 ；
扫瞄速度0.20cm/s,扫瞄时间lmin，扫瞄次数4 ；
纵坐标单位T% ；
分辨率4.0cnT1。
[0015]其中，为了得到较清晰、较理想、质量较好的谱图，一般对谱图进行基线校正和平滑处理。
[0016]根据谱峰判定待测炭样表面是否含有含氧官能团羧基、内酯基和酚羟基，如果含有则进行步骤(2)。
[0017](2)、活性炭表面的酸碱性主要由羧基、内酯基和酚羟基引起，根据不同强度的碱与不同含氧官能团反应进行定量分析测定。其中，NaHCO3仅中和羧基，Na2CO3中和羧基和内酯基，NaOH中和羧基、内酯基、酚羟基。采用联碱中和法测定并区分酸性表面氧基团及碱性基团的定量分析测定。
[0018]标准溶液的配制和标定如下:
a、0.05mol/L HCl标准溶液的配制与标定；
量取4.5mL盐酸，注入100mL水中，摇匀；
称取300°C高温炉中灼烧至恒重的无水碳酸钠基准试剂0.0lg，置于250mL锥形瓶中，加无二氧化碳的水50mL溶解，加10溴甲酚绿-甲基红指示液，用配制好的盐酸溶液滴定至溶液由绿色变为暗红色，煮沸2min冷却后继续滴定至溶液呈暗红色，同时做空白试验。将HCl标准溶液的数值精确到小数点后四位数。
[0019]b、0.05mol/L NaOH标准溶液的配制与标定；
称取IlOg氢氧化钠，溶于10mL无二氧化碳的水中摇勻，注入PE瓶中密闭放置溶液清亮，用移液管量取上层清液2.7mL，用无二氧化碳的水稀释至100mL摇匀；
称取110°C烘至恒重的邻苯二甲酸氢钾基准试剂0.36g，置于250mL锥形瓶中，加无二氧化碳的水50mL溶解，加2滴酚酞指示液(10g/L)，用配制好的氢氧化钠溶液滴定至溶液呈粉红色,并保持30s。同时做空白试验。将NaOH标准溶液的数值精确到小数点后四位数。
[0020]c、0.05mol/L Na2CO3标准溶液的配制与标定；
称取无水碳酸钠5.3g,注入100mL水中，摇勻；
量取35.0OmL配制好的碳酸钠溶液，加20mL水，加10滴溴甲酚绿-甲基红指示液，用0.05mol/L的盐酸溶液滴定至溶液由绿色变为暗红色，煮沸2min冷却后继续滴定至溶液呈暗红色；将Na2CO3标准溶液的数值精确到小数点后四位数。
[0021]d、0.05mol/L NaHCO3标准溶液的配制与标定；
称取无水碳酸钠4.201g，注入100mL水中，摇匀；
量取35.0OmL配制好的碳酸钠溶液，加20mL水，加10滴溴甲酚绿-甲基红指示液，用
0.05mol/L的盐酸溶液滴定至溶液由绿色变为暗红色，煮沸2min冷却后继续滴定至溶液呈暗红色；将NaHCO3标准溶液的数值精确到小数点后四位数。
[0022](3)、待测炭样的样品粒度200目，120°C烘干24h，采用电子天平精确称取待l.0g测炭样6份，分别放入10ml锥形三角瓶中，加入25ml上述标准碱液中的一种，振荡24h后过滤并用洗瓶充分洗涤，收集所有滤液，以甲基红为终点指示剂，用HCl标准溶液滴定滤液中尚未反应的碱液至溶液由黄色变红。
[0023]在进行定性试验时注意对傅立叶变换红外光谱仪测试条件的选取；在进行定量试验过程必须严谨，尽量减小误差。
[0024](4)、结果计算
单位质量活性炭与各标准碱液反应的酸性官能团的含量n，单位为mmol/g，按式(i )、
(ii)、(iii)计算:
NaOH的反应量如下
nNaOH- tCNaOH ^ ^NaOH _ CHC1 (^HCl _ Δ V1 _ Vb) ] /ff.....................( i )
Na2CO3的反应量如下
nNa2C03_ t2cNa2C03 ^ ^Na2C03 " CHC1 (Vhc1-AV2- Vb) ]/ff............( ii )
NaHCO3的反应量如下
nNaHC03_ [CNaHC03 X Vnqhc03 "" Chc1 (Vhc1-AV3- Vb) ]/ff............(iii)
式中:Vb—蒸馏水空白值(mL)；
VHa—滴定所用的盐酸标准溶液的体积(mL)；
Ci一下标对应的标准溶液i的浓度(mol/L)；
W—试样质量(g)；
Δ V—将甲基红的理论指示终点校正到酸碱滴定时理论终点的HCl标准溶液体积修正值。
[0025]Δ V1=(Vn^Vhc1) ([H+]e - [H+]T1)/cHC1...........................(iv)
AV2=(2VNa2C03+VHC1)([H+]E - [H+]T2)/cHC1...........................(V)
AV3=(Vnhc03+Vhc1)([H+]e - [H+]T3)/cHC1...........................(vi)
其中，[H+]K=10_5mol/L，为甲基红理论指示终点的质子浓度；[H+]T1、[H+]T2、[H+]T3分别代表HCl滴定NaOH、Na2CO3和NaHCO3时的理论终点的质子浓度，其数值可从相关手册中直接查出。
[0026]最后,从nNaffl、nNa2CO3和nNaHCO3之间的差额可以计算出羧基、内酯基和酌■轻基的具体含量如下:
nEC00H_nNaHC03 ;
nEC00C0E_nNa2C03 ~ nNaHC03 ?
nArOH-nNaOH _ %a2C03o
【权利要求】
1.一种活性炭表面含氧官能团的评价方法，其特征在于:包括如下步骤: (1)、采用傅立叶变换红外光谱仪对不同工艺条件的待测炭样进行定性判断其表面含氧官能团的类别；其中，试验条件如下: KBr与待测炭样质量比例为200:1 ； 样品压片厚度为0.8?1.2mm ； 扫瞄范围4000?450CHT1 ； 扫瞄速度0.20cm/s,扫瞄时间lmin，扫瞄次数4 ； 纵坐标单位T% ； 分辨率4.0cnT1 ； 根据谱峰判定待测炭样表面是否含有羧基、内酯基和酚羟基的含氧官能团，如果含有则进行步骤(2); (2)、标准溶液的配制和标定 a、0.05mol/L HCl标准溶液的配制与标定； b、0.05mol/L NaOH标准溶液的配制与标定； c、0.05mol/L Na2CO3标准溶液的配制与标定； d、0.05mol/L NaHCO3标准溶液的配制与标定； (3)、待测炭样的样品粒度200目，120°C烘干24h，采用电子天平精确称取待测炭样至少3份，分别放入锥形三角瓶中，加入上述标准碱液中的一种，振荡24h后过滤并用洗瓶充分洗涤，收集所有滤液，以甲基红为终点指示剂，用HCl标准溶液滴定滤液中尚未反应的碱液至终点； (4)、结果计算 单位质量活性炭与各标准碱液反应的酸性官能团的含量n，单位为mmol/g，按式(i )、(ii)、(iii)计算: NaOH的反应量如下
nNaOH- tCNaOH ^ ^NaOH _ HCl (^HCl _ Δ V1-Vb) ]/ff........................( I ) Na2CO3的反应量如下
nNa2C03_ t2cNa2c03 ^ VNa2C03 " CHC1 (^HCl ~ ^ ~ Vb) ]/ff...............( ii ) NaHCO3的反应量如下
nNaHCCI3_ [cNaHCCeX VmCCI3 " CHC1 (^HCl ~ ^ ~ Vb) ] /ff...............(iii) 式中:vb—蒸馏水空白值，单位mL ; VHa—滴定所用的盐酸标准溶液的体积，单位mL ； Ci一下标对应的标准溶液i的浓度，单位mol/L ； W—试样质量，单位g ； Δ V—将甲基红的理论指示终点校正到酸碱滴定时理论终点的HCl标准溶液体积修正值； AV1=(Vn^Vhc1) ([H+]e - [H+]T1)/cHC1............................(iv) AV2=(2VNa2C03+VHC1)([H+]E - [H+]T2)/cHC1...........................(V) AV3=(Vnhc03+Vhc1)([H+]e - [H+]T3)/cHC1...........................(vi) 其中，[H+]K=10_5mol/L，为甲基红理论指示终点的质子浓度；[H+]T1、[H+]T2、[H+]T3分别代表HCl滴定NaOH、Na2CO3和NaHCO3时的理论终点的质子浓度； 从nNaffl、nNa2C03和ηΜαΒ之间的差额可以计算出羧基、内酯基和酚羟基的含量如下:
nEC00H_nNaHC03 ;
nEC00C0E_nNa2C03 ~ nNaHC03 ?
nArOH-nNaOH _ %a2C03o
2.根据权利要求1所述的活性炭表面含氧官能团的评价方法，其特征在于:步骤(2)中,0.05mol/L HCl标准溶液的配制与标定,具体如下: 量取4.5mL盐酸，注入100mL水中，摇匀； 称取300°C高温炉中灼烧至恒重的无水碳酸钠基准试剂0.0lg，置于250mL锥形瓶中，加无二氧化碳的水50mL溶解，加10溴甲酚绿-甲基红指示液，用配制好的盐酸溶液滴定至溶液由绿色变为暗红色，煮沸2min冷却后继续滴定至溶液呈暗红色，同时做空白试验；将HCl标准溶液的数值精确到小数点后四位数。
3.根据权利要求1所述的活性炭表面含氧官能团的评价方法，其特征在于:步骤(2)中，0.05mol/L NaOH标准溶液的配制与标定，具体如下: 称取IlOg氢氧化钠，溶于10mL无二氧化碳的水中摇勻，注入PE瓶中密闭放置溶液清亮，用移液管量取上层清液2.7mL，用无二氧化碳的水稀释至100mL摇匀； 称取110°C烘至恒重的邻苯二甲酸氢钾基准试剂0.36g，置于250mL锥形瓶中，加无二氧化碳的水50mL溶解，加2滴酚酞指示液，用配制好的氢氧化钠溶液滴定至溶液呈粉红色，并保持30s ;同时做空白试验；将NaOH标准溶液的数值精确到小数点后四位数。
4.根据权利要求1所述的活性炭表面含氧官能团的评价方法，其特征在于:步骤(2)中，0.05mol/L Na2CO3S准溶液的配制与标定，具体如下: 称取无水碳酸钠5.3g,注入100mL水中，摇勻； 量取35.0OmL配制好的碳酸钠溶液，加20mL水，加10滴溴甲酚绿-甲基红指示液，用.0.05mol/L的盐酸溶液滴定至溶液由绿色变为暗红色，煮沸2min冷却后继续滴定至溶液呈暗红色；将Na2CO3标准溶液的数值精确到小数点后四位数。
5.根据权利要求1所述的活性炭表面含氧官能团的评价方法，其特征在于:步骤(2)中，0.05mol/L NaHCO3S准溶液的配制与标定，具体如下: 称取无水碳酸钠4.201g，注入100mL水中，摇匀； 量取35.0OmL配制好的碳酸钠溶液，加20mL水，加10滴溴甲酚绿-甲基红指示液，用.0.05mol/L的盐酸溶液滴定至溶液由绿色变为暗红色，煮沸2min冷却后继续滴定至溶液呈暗红色；将NaHCO3标准溶液的数值精确到小数点后四位数。
【文档编号】G01N21/79GK104359907SQ201410652361
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月17日 优先权日:2014年11月17日
【发明者】温宇慧, 张金凤, 黄英, 齐嘉豪, 金彦任, 宋雯, 李爱叶, 邢浩洋, 范斌杰, 郭军军, 赵婷, 钟海霞, 朱健娣 申请人:山西新华化工有限责任公司