一种生物炭表面官能团快速微量测定方法技术

本发明专利技术公开了一种生物炭表面官能团快速微量测定方法，包括以下步骤：S1、对生物炭表面进行酸/碱滴定，获取数据；S2、建立质子消耗模型；S3、编译计算模型；S4、对数据进行拟合计算。通过使用自滴定仪自动滴定，同时记录加入每滴酸/碱变化后的溶液pH，减小了个人误差、提高了测定结果的精确性。将Boehm滴定法所需的5种标准溶液缩减为两种，将Boehm滴定法测定一次(以两组平行实验记)所需的10次滴定缩短至2次滴定，将测试用时24～30h缩减至1～2h，从而简化了操作、缩短了测定时间、提高了工作效率，并且所用测定仪器的成本较低，实验步骤均为称量、溶液配制、pH测量等基本操作，免除大型仪器的使用，试剂仅为盐酸与氢氧化钠，可操作性强。

【技术实现步骤摘要】
一种生物炭表面官能团快速微量测定方法
本专利技术涉及性能表征
，更具体的说是涉及一种生物炭表面官能团快速微量测定方法。
技术介绍
目前，生物炭(Biochar)是由生物质原料在绝氧或缺氧的条件下，经热解产生的一类难熔的、稳定的、高度芳香化的、富含碳素的炭化产物。生物炭具有高度羧酸酯化、芳香化结构与丰富的表面官能团。生物炭表面的主要官能团包括羧基、酚羟基、羰基、内酯、吡喃酮、酸酐等含氧官能团。生物炭作为一种理想的针对有机污染物、重金属、富营养盐等污染物的处理材料，表面的官能团可以为吸附质提供吸附位点，通过p-π相互作用、π-π相互作用、氢键、络合作用等影响生物炭的吸附性能。同时表面官能团赋予生物炭较强的pH缓冲能力，施用生物炭可以缓解土壤的碱度和酸度。因此生物炭表面官能团的种类与数量，是生物炭产品的重要评价指标之一。目前，国内外尚无一套完善的生物炭材料表面官能团的定性定量分析方法及标准规范准确的操作规程。文献中常见的生物炭表面官能团含量测定方法有红外光谱(FTIR)法与Boehm滴定法。红外光谱法利用傅里叶变换红外光谱仪测定不同波长下生物炭的官能团特征吸收峰，通过计算各基团主要吸收峰高进行半定量分析，但此方法只能得到各基团的相对含量。Boehm滴定法则利用不同强度的碱与不同的表面含氧官能团进行中和反应，根据消耗碱的量计算出相应含氧官能团的含量，是目前最常用的多孔炭表面化学分析方法。但是，目前通用的碳质材料表面官能团含量测量方法Boehm滴定法每测量一个样品(以两组平行实验记)至少需要1.0g样品，这对于实验室mg级生物炭用量来说制备负担较大。Boehm滴定法以酚酞作为指示剂，因此滴定终点的确认存在较大的人为误差。每测量一个样品的表面官能团含量，需至少进行10次滴定(以两组平行实验记)，实验步骤过多。因此，现有生物炭表面官能团含量测定耗碳量过大、测量过程复杂、耗时过长是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种生物炭表面官能团快速微量测定方法，通过将传统Boehm滴定法反滴定、手动滴定、指示剂指示滴定终点等方法改为使用自滴定仪自动滴定，同时记录加入每滴酸/碱变化后的溶液pH，减小了个人误差、提高了测定结果的精确性。将Boehm滴定法所需的5种标准溶液缩减为两种，将Boehm滴定法测定一次(以两组平行实验记)所需的10次滴定缩短至2次滴定，将测试用时24～30h缩减至1～2h，从而简化了操作、缩短了测定时间、提高了工作效率，并且所用测定仪器的成本较低，实验步骤均为称量、溶液配制、pH测量等基本操作，免除大型仪器的使用，试剂仅为盐酸与氢氧化钠，可操作性强。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种生物炭表面官能团快速微量测定方法，包括以下步骤：S1、对生物炭表面进行酸/碱滴定，获取数据；S2、建立质子消耗模型；S3、编译计算模型；S4、对数据进行拟合计算。优选的，所述步骤S1具体包括：S11、称取50.00mg生物炭于250mL聚四氟乙烯烧杯内，加入50mL超纯水；S12、配置0.01mol·L-1NaOH与HCl水溶液，并进行标定；S13、使用标定好的NaOH与HCl通过自滴定仪滴定生物炭，滴定在惰性气体气氛下进行；S14、使用pH计测量并记录初始pH0、加入每滴酸/碱后的变化pH以及生物炭所消耗的酸/碱的累计体积ΔV。优选的，所述步骤S2具体包括：S21、生物炭表面的表面官能团质子化位点为弱一元酸AOH，则质子位点的离解反应为：AOH＝H++AO-；KH(1)其中，表面酸性常数总表面位点浓度ST＝[AOH]+[AO-]，单位为mol·L-1，则S22、酸碱滴定的质量平衡方程为：其中，ΔV为生物炭所消耗的酸/碱的累计体积，令酸添加量为负，碱添加量为正，单位为mL；ca/b为酸/碱溶液浓度，单位为mol·L-1；V0为滴定前混合液体的总体积，单位为mL，Δ[AO-]为滴定前后自由表面位点的浓度变化，单位为mol·L-1，则：式中[H+]0为初始质子浓度，单位为mol·L-1；S23、将公式(3)代入酸碱质量平衡方程(2)中：其中，[H+]＝10-pH，位点浓度单位为mmol·g-1，m为生物炭质量，单位为g，将位点浓度代入方程(4)中：S24、生物炭表面含有多种类型的酸性位点时，公式(5)表示为：其中，i为酸性位点的数量。优选的，所述步骤S3具体包括：优选的，所述步骤S4具体包括：S41、导入所述步骤S1获取的数据，即生物炭所消耗的酸/碱的累计体积ΔV与对应溶液pH值，并对数据维度进行重置；S42、设置计算常量参数；S43、以变量的形式对酸性位点浓度Ci和酸度常数pKa,i的初始值进行设置；S44、设置迭代次数及酸性位点种类数区间；S45、训练模型，得到拟合数据；S46、对拟合后的数据进行可视化处理。经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种生物炭表面官能团快速微量测定方法，通过将传统Boehm滴定法反滴定、手动滴定、指示剂指示滴定终点等方法改为使用自滴定仪自动滴定，同时记录加入每滴酸/碱变化后的溶液pH，减小了个人误差、提高了测定结果的精确性。将Boehm滴定法所需的5种标准溶液缩减为两种，将Boehm滴定法测定一次(以两组平行实验记)所需的10次滴定缩短至2次滴定，将测试用时24～30h缩减至1～2h，从而简化了操作、缩短了测定时间、提高了工作效率，并且所用测定仪器的成本较低，实验步骤均为称量、溶液配制、pH测量等基本操作，免除大型仪器的使用，试剂仅为盐酸与氢氧化钠，可操作性强。本方法将常用表面检测方法Boehm滴定法每次使用样品1.0g缩减到100mg，而实验室制备改性生物炭受限于设备产量极低，大大减小了实验室生物炭制备的负担。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1附图为本专利技术提供的整体流程示意图。图2附图为本专利技术提供的生物炭AM400的滴定曲线与拟合曲线。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术实施例公开了一种生物炭表面官能团快速微量测定方法，包括以下步骤：S1、对生物炭表面进行酸/碱滴定，获取数据；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物炭表面官能团快速微量测定方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、对生物炭表面进行酸/碱滴定，获取数据；/nS2、建立质子消耗模型；/nS3、编译计算模型；/nS4、对数据进行拟合计算。/n

【技术特征摘要】
1.一种生物炭表面官能团快速微量测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对生物炭表面进行酸/碱滴定，获取数据；
S2、建立质子消耗模型；
S3、编译计算模型；
S4、对数据进行拟合计算。


2.根据权利要求1所述的一种生物炭表面官能团快速微量测定方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
S11、称取50.00mg生物炭于250mL聚四氟乙烯烧杯内，加入50mL超纯水；
S12、配置0.01mol·L-1NaOH与HCl水溶液，并进行标定；
S13、使用标定好的NaOH与HCl通过自滴定仪滴定生物炭，滴定在惰性气体气氛下进行；
S14、使用pH计测量并记录初始pH0、加入每滴酸/碱后的变化pH以及生物炭所消耗的酸/碱的累计体积ΔV。


3.根据权利要求1所述的一种生物炭表面官能团快速微量测定方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
S21、生物炭表面的表面官能团质子化位点为弱一元酸AOH，则质子位点的离解反应为：
AOH＝H++AO-；KH(1)
其中，表面酸性常数总表面位点浓度ST＝[AOH]+[AO-]，单位为mol·L-1，则
S22、酸碱滴定的质量平衡方程为：



其中，ΔV为生物炭所消耗的...

【专利技术属性】
技术研发人员：于艳玲，李崯雪，崔邴晗，尚宏儒，冯玉杰，杨春晖，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23