活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　由于具有高比表面積，活性炭被認為是吸附過程中的優秀材料。然而，它基本上是一種惰性多孔材料，它主要通過范德華力或倫敦分散力來結合污染物，因此它也有不能結合某些化學物質，包括金屬和大多數無機物質。但是電容去離子技術，通過電吸附，電容效應從微咸水和海水中去除陽離子和陰離子污染物。活性炭廣泛用作電容去離子技術的電極材料，并且活性炭的改性已經成為目前研究熱點，用來增強表面化學，因為電荷在該過程中是必不可少的。為了改善活性炭在特定應用中的表面活性，在表面上賦予陽離子或陰離子電荷是先決條件，特別是在倒置電容去離子技術中。由于電荷的性質，可以使活性炭吸附效果更好，親水，酸性或堿性。

　　為了研究怎么增強活性炭的表面活性，在此對吐溫80(T80)和十六烷基溴化銨(HDTMA)這兩種活性劑之間的協同作用對活性炭的電化學應用(電容去離子)的表面活性的研究。根據界面性質表征研究了二元混合物(T80-HDTMA)和HDTMA的聚集行為。建立了吐溫80作為輔助表面活性劑對活性炭陽離子表面活性劑功能化應用的益處。該研究提供了一種新型電極，可用于倒置電容去離子技術。此外，它揭示了表面活性劑混合物對活性炭表面活性的有益影響，而不是單一表面活性劑。混合表面活性劑的協同作用不僅可以提高比電容，還可以誘導HDTMA在吸附狀態下的穩定性。值得注意的是，非離子表面活性劑可生物降解，毒性低于陽離子表面活性劑。在該工作的最后部分中說明的可能的構象表明，由于空間穩定化，表面活性劑-表面活性劑側向相互作用和表面活性劑-活性炭疏水相互作用的事實，在吐溫80存在下HDTMA的吸附密度增加和強附著。

　　經過活性劑增強活性炭的形態學和界面特征

　　圖1中的FE-SEM圖像顯示活性炭和改性活性炭和二元混合物改性活性炭之間的不同形態。圖1a中活性炭的圖像顯示表面上的粗糙度和大孔，而改性活性炭在其表面上看起來光滑，帶有一層表面活性劑。此外，圖1c中的二元混合物改性活性炭樣品顯示出高度光滑的表面，并且表面層的飽和度高于圖1b中的改性活性炭樣品。所有這些觀察結果都暗示了表面活性劑和活性炭表面之間通過疏水相互作用。接觸角測量揭示了活性炭和改性活性炭的潤濕行為，疏水性和親水性強度的變化。前進和后退接觸角都表現出類似的表面潤濕性趨勢。接觸角的值顯示了潤濕性的順序二元混合物改性活性炭>改性活性炭>活性炭。二元混合物改性活性炭潤濕性的高度改變可歸因于吐溫80具有高潤濕能力。用季銨表面活性劑改性的活性炭酸鹽表面的潤濕性發生了顯著變化。

　　圖1：掃描電子顯微鏡圖像和水滴在活性炭上形成的接觸角。

　　兩種活化劑協同作用的機制

　　離子和非離子表面活性劑之間的協同作用可以根據它們在溶液中或界面處的熱力學替代排列來解釋。不同于非離子表面活性劑，在水中的離子表面活性劑溶劑化總是由從頭部基團與類似費用上升庫侖斥力限制。在界面上吸附期間發生類似的情況，其中庫侖排斥主導表面活性劑排列機制，這導致分子彼此遠離。為了避免庫侖斥力通過空間位阻，使離子表面活性劑分子彼此接近。陽離子表面活性劑的吸附密度增加，由于非離子表面活性劑的存在，通過屏蔽降低陽離子頭基之間的排斥力為主要原因。非離子表面活性劑的高表面活性和與離子表面活性劑的疏水相互作用被認為是混合物中熵效應的主要因素。

　　界面處的表面活性劑的取向源于其分子的異質性。由于活性炭是高度疏水的，因此在熵和焓有利性的控制下，表面活性劑分子的疏水部分被迫與活性炭表面結合。已知在圖2中已經提出了HDTMA和吐溫80在懸浮液中的活性炭顆粒表面上的排列機制，其描繪了表面活性劑在活性炭顆粒上的吸附。表面活性劑在界面處的聚集行為的機理，其中烷基鏈吸附在疏水表面上，而環氧乙烷頭基團取向成水溶液。圖2a顯示了在庫侖排斥控制下HDTMA的假設排列。HDTMA分子傾向于占據活性炭顆粒表面上彼此遠離的位點，以便使具有相同電荷的頭組之間的庫侖排斥力最小化。圖2b顯示了二進制系統中HDTMA與吐溫80的不同排列。吐溫80誘導空間位阻，其抑制陽離子表面活性劑分子的頭部基團之間的庫侖排斥。HDTMA分子彼此接近，因此提示自由空間吸附額外的HDTMA分子。

　　圖2：(a)銨活化劑，(b)兩種活化劑在低濃度單層(半纖維素)形式的活性炭顆粒表面上的排列，(c)滲透，(d)高層混合雙層濃度。

　　所提出的圖2c中的吸附模式描述了活性炭位點與吐溫80和HDTMA的混合溶液在接近臨界膠束濃度下的相互作用。在圖2c中，陽離子和非離子表面活性劑的疏水鏈與活性炭相互作用疏水相互作用，以及吸附狀態下表面活性劑之間的鏈-鏈側向相互作用。在高濃度下，表面變得飽和，因此發生了粘膠形成的發生。過量的陽離子表面活性劑在吸附狀態下開始滲透單層表面活性劑。事實上，活性炭具有吸附非極性和極性化合物的雙重性質，因此吸附機制導致表面上表面活性劑的取向不同。疏水尾部和親水頭部都可以通過疏水相互作用(顯性)或分散力與活性炭相互作用。在圖2d中根據它們相互作用的活性炭位點，HDTMA和吐溫80分子可以采取不同的取向。第二層的形成可能源于具有相反取向的表面活性劑之間的疏水相互作用，或者滲透到單層中以形成混合構象。

　　用表面活性劑改性的活性炭在電吸附過程中具有潛在的應用，其中表面電荷和潤濕性起重要作用。用離子表面活性劑功能化的活性炭電極最近在電容去離子技術，特別是反向電容去離子系統中引起了相當大的關注。圖3表明在用吐溫80和HDTMA的二元混合物改性的活性炭上吸附陰離子。吐溫80的存在表明HDTMA的吸附密度增強，完美填充(高穩定性)，這在電吸附過程中都是值得的。實際上，HDTMA的增強的吸附密度誘導了陰離子污染物的高吸附能力。此外，改進的填料賦予表面活性劑在表面上的穩定性。這些特殊效果是混合表面活性劑體系應用的最終目標之一，為了提高活性炭的表面活性，對于單一表面活性劑體系來說，這是不可能發生的。

　　圖3：陰離子在功能化活性炭電極上的吸附。

　　精心設計的表面活性劑混合物可以將活性炭電極的物理/化學和電化學性質提高到單一表面活性劑不能單獨達到的水平。T80和HDTMA混合系統在本研究中顯示出優于HDTMA系統的巨大優勢。由于吐溫80的作用，活性炭在吸附過程中非常重要，因此獲得了良好的潤濕性。依次處理的二元混合物改性活性炭制劑中的陽離子滴定顯示出HDTMA的增強的吸附密度。觀察到吐溫80對粉末狀活性炭的顯著尺寸依賴性活性。電化學表征顯示，即使在高于臨界膠束濃度的濃度下，二元混合物改性活性炭中的比電容也比單一改性活性炭更好。穩定性測試揭示了在吐溫80存在下HDTMA在官能化活性炭顆粒表面上的高附著性，具有穩定的循環。此外，描述了表面活性劑在活性炭顆粒表面上的假設機理。與離子表面活性劑混合的非離子表面活性劑配方比單獨的離子表面活性劑具有更好的界面行為。從某種意義上說，HDTMA與吐溫80的混合物對活性炭表面活性的增強具有特殊的作用。

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