一、实验目的

（1）　用次甲基蓝水溶液吸附法测定颗粒活性炭的比表面积。

（2）　了解朗缪尔单分子层吸附理论及用溶液法测定比表面的基本原理。

二、　实验原理

在一定温度下，固体在某些溶液中的吸附与固体对气体的吸附很相似，可用朗缪尔（Langmuir）单分子层吸附方程来处理。Langmuir吸附理论的基本假定是：固体表面是均匀的，吸附是单分子层吸附，被吸附在固体表面上的分子相互之间无作用力，吸附平衡是动态平衡。根据以上假定，推导出吸附方程：

Γ=Γ∞Kc1+Kc（1）

式中：K为吸附作用的平衡常数，也称吸附系数，与吸附质、吸附剂性质及温度有关，其值愈大，则表示吸附能力愈强；Γ为平衡吸附量，1g吸附剂达吸附平衡时，吸附溶质的物质的量(mol·g-1)；Γ∞为饱和吸附量，1g吸附剂的表面上盖满一层吸附质分子时所能吸附的最大量(mol·g-1)；c为达到吸附平衡时，溶质在溶液本体中的平衡浓度（mol·L-1）。

将式（1）整理，得

1Γ=1Γ∞+1Γ∞K·1c（2）

以1Γ对1c作图得一直线，由此直线的斜率和截距可求得Γ∞、K以及比表面积S比。

S比=Γ∞NAA（3）

式中：NA为阿伏伽德罗常数；A为吸附质分子的截面积（m2）；S比为比表面积。

活性炭是一种固体吸附剂，对染料次甲基蓝具有很大的吸附倾向。研究表明，在一定的浓度范围内，大多数固体对次甲基蓝的吸附是单分子层吸附符合朗缪尔吸附理论。本实验以活性炭为吸附剂，将定量的活性炭与一定量的几种不同浓度的次甲基蓝相混，在常温下振**，使其达到吸附平衡。用分光光度计测量吸附前后次甲基蓝溶液的浓度。从浓度的变化求出每克活性炭吸附次甲基蓝的吸附量Γ。

Γ=(c０-c)Vm（4）

式中：V为吸附溶液的总体积(L)；m为加入溶液的吸附剂质量(g)；c和c０为平衡浓度和原始浓度(mol·L-1)。

当原始浓度过高时，会出现多分子吸附，如果平衡后的浓度过低，吸附又不能达到饱和。因此原始浓度和平衡浓度都应选择在适当的范围。本实验原始浓度为0.2%左右，平衡溶液浓度不小于0.1%。次甲基蓝具有以下矩形平面结构:

ＮＨ３ＣＨ３Ｃ〖１〗Ｓ〖４〗ＮＮＣＨ３ＣＨ３＋Ｃl－

其摩尔质量为373.9g·mol-1，假设吸附质分子在表面是直立的，A＝1.52×10-18m2·分子-1。用72型分光光度计进行测量时，次甲基蓝溶液在可见区有两个吸收峰：445nm和665nm，但在445nm处活性炭吸附对吸收峰有很大的干扰，故本实验选用的工作波长为665nm。

三、　仪器与试剂

1．　仪器

72型光电分光光度计及其附件(或722S分光光度计)1台,康氏振**器1台,容量瓶（500mL）6个，容量瓶（50mL、100mL）各5个，2号砂心漏斗1只，带塞锥形瓶（100mL）5个，滴管2支。

2．　试剂

次甲基蓝（质量分数为0.2%左右的原始溶液，质量分数为0.01%的标准溶液），颗粒状非石墨型活性炭。

四、　实验步骤

1．　样品活化

将颗粒活性炭置于瓷坩埚中，放入500℃马弗炉活化1h，然后置于干燥器中备用（学生可以不做）。

2．　平衡溶液

取5个洗净干燥的100mL带塞锥形瓶，编号，分别准确称取活化过的活性炭0.1g置于瓶中，记录活性炭的用量。（可用减量法）按表51中数据配制不同浓度的次甲基蓝溶液，然后塞上磨口塞，放置在康氏振**器上振**适当时间（视温度而定，室温下一般1～2h，以吸附达到平衡为准），振**速度以活性炭可翻动为宜。

表51吸附用次甲基蓝溶液的配制

吸附样品编号12345

V（质量分数0.2%次甲基蓝溶液）/mL302015105

V（蒸馏水）/mL2030354045

样品振**达到平衡后，将锥形瓶取下，用砂心漏斗过滤，得到吸附平衡后溶液。分别称取滤液5g放入500mL容量瓶中，并用蒸馏水稀释至刻度，待用。

3．　原始溶液

为了准确测量质量分数约0.2%的次甲基蓝原始溶液，称取2.5g溶液放入500mL容量瓶中，并用蒸馏水稀释至刻度，待用。

4．　次甲基蓝标准溶液的配制

用移液管吸取2mL、4mL、6mL、8mL、11mL质量分数0.01%标准次甲基蓝溶液于100mL容量瓶中，用蒸馏水稀释至刻度，即得2×10-6、4×10-6、6×10-6、8×10-6、1.1×10-５的标准溶液，待用。次甲基蓝溶液的密度可用水的密度取代。

5．　选择工作波长

对于次甲基蓝溶液，工作波长为665nm，由于各台分光光度计波长刻度略有误差。可取某一待用标准溶液，在600～700nm范围内每隔5nm测量消光值，以吸光度最大的波长作为工作波长。

6．　测量吸光度

以蒸馏水为空白溶液，在选定的工作波长下，分别测量五个标准溶液、五个稀释后的平衡溶液以及稀释后的原始溶液的吸光度。

五、　数据处理

1．　作次甲基蓝溶液的浓度对吸光度的工作曲线

算出各个标准溶液的摩尔浓度，以次甲基蓝标准溶液摩尔浓度对吸光度作图，所得直线即工作曲线。

2．　求次甲基蓝原始溶液的浓度和各个平衡溶液的浓度

将实验测定的稀释后原始溶液的吸光度从工作曲线上查得对应的浓度数再乘以稀释倍数200，即为原始溶液的浓度c0。

将实验测定的各个稀释后的平衡溶液吸光度从工作曲线上查得对应的浓度，乘上稀释倍数100，即为平衡溶液的浓度c。

3．　计算吸附溶液的初始浓度

按实验步骤2的溶液配制方法计算各吸附溶液的初始浓度c0。

4．　计算吸附量

由平衡浓度c及初始浓度c0数据按式（4）计算吸附量Γ。

表52吸附量的计算数据

吸附样品编号12345

溶液原始浓度/c0（mol·L-1）

活性炭质量m/g

平衡溶液的吸光值

平衡溶液的浓度c/（mol·L-1）

1/c

吸附量Γ/（mol·L-1）

1/Γ

5．　作朗缪尔吸附等温线

以Γ为纵坐标，c为横坐标，作Γ对c的吸附等温线。

6.　求饱和吸附量Γ∞和常数K

计算1Γ、1c，作1Γ~1c图，并由直线的斜率及截距求式（2）中的Γ∞及吸附常数K。

7.　计算活性炭样品的比表面积

将Γ∞值代入式（3），可算得活性炭样品的比表面积。

六、思考与讨论

（1）　活性炭易吸潮引起称量误差，故在称量活性炭时操作要迅速，除了加样、取样外，应随时盖紧称量瓶盖，用减量法称量。

（2）　溶液法测量比表面的误差一般在10%左右，可用其他方法校正。影响测定结果的主要因素是温度、吸附质的浓度和振**时间。

（3）　测定溶液浓度时，若吸光度值大于0.8，则需适当稀释后再进行测定。

（4）　应当指出，若溶液吸附法的吸附质浓度选择适当，即初始溶液的浓度以及吸附平衡后的浓度都选择在合适的范围，那么既可以防止初始浓度过高导致出现多分子层吸附，又避免平衡后的浓度过低使吸附达不到饱和，那么就可以不必像本实验要求的那样，配置一系列初始浓度的溶液进行吸附测量，然后采用朗缪尔吸附理论处理实验数据，才能算出吸附剂比表面，而是仅需配置一种初始浓度的溶液进行吸附测量，使吸附剂吸附达到饱和吸附又符合朗缪尔单分子层的要求，从而简单地计算除吸附剂的比表面积。实验者不妨在完成本实验测量以后，根据上述思路，提出如上简便测量所合适的吸附质溶液的浓度范围，并设计实验测量的要点。