活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭用于離子聚合物吸附

　　在環境修復和水處理領域，有效去除水介質中的污染物仍然是一個嚴峻的挑戰。活性炭由于其大表面積和多分散多孔結構，已成為多種污染物的多功能吸附劑。涉及分散顆粒之間形成聚合物橋的絮凝過程在水處理技術中非常重要。了解高度分散懸浮液失穩的各種機制對于有效純化水溶液至關重要。

　　離子聚合物以其獨特的物理化學性質，可以影響活性炭懸浮液的穩定性。這些聚合物的特點是沿其鏈存在帶電官能團，已證明能夠與分散的顆粒相互作用并影響其穩定性和聚集。這些大分子對懸浮液穩定性的影響基于以下幾種機制：空間、電空間和損耗穩定性。固體表面上的聚合物吸附導致空間穩定，從而降低了顆粒之間的范德華吸引力。靜電空間機制是靜電和空間穩定的組合。聚合物吸附層導致靜電和范德華絮凝力降低。另一方面，溶液中殘留的未吸附的聚合物鏈會抑制損耗吸引或損耗穩定。

　　活性炭的表面形態

　　在本研究中，通過聚丙烯酸和聚乙烯亞胺溶液和一些生物質熱化學處理獲得的活性炭被用作水懸浮液的成分。測定了在不存在和存在單一和二元聚合物吸附物的情況下溶液中碳質材料聚集體的zeta電位和尺寸。檢查了單組分和雙組分系統中的聚合物對活性炭懸浮液穩定性的影響。通過應用SEM技術測定不含和吸附聚丙烯酸或聚乙烯亞胺的活性炭的表面形態。兩種活性炭的SEM圖像如圖1所示，而圖2顯示了聚合物存在下活性炭樣品的形態。

　　圖1：活性炭1(a)和活性炭2(b)的SEM圖像。

　　圖2：不含(a)以及含有PAA(b)和PEI(c)吸附物的活性炭2的SEM圖像。

　　吸附研究

　　吸附測試在25℃下進行24小時，使用10cm3含有0.1g活性炭、200ppm適當聚合物和0.001mol/dm3.NaCl的懸浮液作為支持電解質。吸附在聚合物吸附物的單一和二元系統中進行。該過程完成后，使用MPW233e微量離心機從溶液中分離固體。根據處理前后溶液中吸附物濃度的變化，使用靜態方法測定吸附聚合物的量。聚丙烯酸的濃度是根據其反應來確定的，該反應導致形成白色復合物。所得化合物吸收波長500nm的光。在聚乙烯亞胺的情況下，使用與CuCl2的反應。這形成了吸收波長285nm的光的藍色復合物。使用UV-Vis分光光度計進行吸光度測量。

　　穩定性測試

　　分光光度法用于穩定性研究。為此目的，制備10cm3含有0.01g活性炭、0.001mol/dm3NaCl(支持電解質)和200ppm適當吸附物的懸浮液。使用濃度為0.1mol/dm3的HCl和NaOH溶液以及Φ360pH計將樣品的pH調節至3。圖3顯示了活性炭1和活性炭懸浮液在不同波長下獲得的示例性吸光度依賴性。由于缺乏干擾且記錄信號變化較小，因此選擇500nm的波長進行進一步研究。以15分鐘的間隔測量測試懸浮液的吸光度5小時。

　　圖3：活性炭1(a)和活性炭2(b)活性炭懸浮液在不同波長下的吸光度。

　　離子聚合物存在下活性炭懸浮液的穩定性機制

　　穩定性測試的結果如圖4和圖5所示。吸光度值越高，懸浮液越穩定(由于溶液的整個體積中存在固體顆粒)。聚丙烯酸的存在對活性炭懸浮液的穩定性沒有顯著影響。聚合物可能在吸附劑的孔中被吸附最多，這對固體顆粒的相互作用沒有顯著影響。另一方面，聚乙烯亞胺吸附導致系統穩定性明顯惡化。從活性炭1中獲得的材料的帶正電荷的表面引起PEI陽離子鏈的垂直吸附。分子在距固體表面相當遠的距離處延伸，通過在相鄰顆粒之間形成聚合物連接而導致橋接絮凝(圖6a)。以不同的方式，聚丙烯酸由于靜電空間機制的發生而導致活性炭2系統的穩定(圖6b)。當PAA和PEI同時存在時，兩種活性炭系統都是最穩定的。所有上述穩定機制都發生在二元系統中。此外，可能會出現耗盡穩定力(圖6c)。由于二元系統中吸附量較低，殘留在溶液中的游離鏈阻止膠體顆粒形成大的聚集體和懸浮液不穩定。

　　圖4：單吸附質和二元吸附質系統中活性炭1(a)和活性炭2(b)活性炭懸浮液在pH3時的穩定性。

　　圖5：單一和二元吸附質系統中活性炭1和活性炭2懸浮液在pH3時150分鐘后的吸光度。

　　圖6：PEI的主要穩定/去穩定機制-橋聯絮凝(a)、PAA-靜電空間穩定(b)和二元系統-靜電和耗盡穩定相結合(c)。

　　活性炭用于離子聚合物吸附，在測試活性炭的特點是對離子聚合物具有高吸附能力。聚丙烯酸的吸附量達到約190mg/g，聚乙烯亞胺的吸附量達到約80mg/g。由于在pH3的測試系統中呈現完全不同構象的聚合物鏈的競爭，聚合物從二元溶液中的吸附顯著下降。離子聚合物對活性炭懸浮液的穩定性有很大影響。它們的存在也會影響固體顆粒形成的表面電荷密度、zeta電位和聚集體尺寸。活性炭1表面上顯著發達的PEI鏈的最垂直吸附通過橋聯絮凝導致懸浮液不穩定。另一方面，在含有活性炭2材料和離子聚合物的體系中發生了空間和電空間穩定。由于耗盡力產生了額外的穩定機制，雙星系統是最穩定的。聚乙烯亞胺和聚丙烯酸大分子之間的競爭導致一些聚合物鏈保留在溶液中，這顯著降低了絮凝趨勢。

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