活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭用于离子聚合物吸附

　　在环境修复和水处理领域，有效去除水介质中的污染物仍然是一个严峻的挑战。活性炭由于其大表面积和多分散多孔结构，已成为多种污染物的多功能吸附剂。涉及分散颗粒之间形成聚合物桥的絮凝过程在水处理技术中非常重要。了解高度分散悬浮液失稳的各种机制对于有效纯化水溶液至关重要。

　　离子聚合物以其独特的物理化学性质，可以影响活性炭悬浮液的稳定性。这些聚合物的特点是沿其链存在带电官能团，已证明能够与分散的颗粒相互作用并影响其稳定性和聚集。这些大分子对悬浮液稳定性的影响基于以下几种机制：空间、电空间和损耗稳定性。固体表面上的聚合物吸附导致空间稳定，从而降低了颗粒之间的范德华吸引力。静电空间机制是静电和空间稳定的组合。聚合物吸附层导致静电和范德华絮凝力降低。另一方面，溶液中残留的未吸附的聚合物链会抑制损耗吸引或损耗稳定。

　　活性炭的表面形态

　　在本研究中，通过聚丙烯酸和聚乙烯亚胺溶液和一些生物质热化学处理获得的活性炭被用作水悬浮液的成分。测定了在不存在和存在单一和二元聚合物吸附物的情况下溶液中碳质材料聚集体的zeta电位和尺寸。检查了单组分和双组分系统中的聚合物对活性炭悬浮液稳定性的影响。通过应用SEM技术测定不含和吸附聚丙烯酸或聚乙烯亚胺的活性炭的表面形态。两种活性炭的SEM图像如图1所示，而图2显示了聚合物存在下活性炭样品的形态。

　　图1：活性炭1(a)和活性炭2(b)的SEM图像。

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

　　吸附研究

　　吸附测试在25℃下进行24小时，使用10cm3含有0.1g活性炭、200ppm适当聚合物和0.001mol/dm3.NaCl的悬浮液作为支持电解质。吸附在聚合物吸附物的单一和二元系统中进行。该过程完成后，使用MPW233e微量离心机从溶液中分离固体。根据处理前后溶液中吸附物浓度的变化，使用静态方法测定吸附聚合物的量。聚丙烯酸的浓度是根据其反应来确定的，该反应导致形成白色复合物。所得化合物吸收波长500nm的光。在聚乙烯亚胺的情况下，使用与CuCl2的反应。这形成了吸收波长285nm的光的蓝色复合物。使用UV-Vis分光光度计进行吸光度测量。

　　稳定性测试

　　分光光度法用于稳定性研究。为此目的，制备10cm3含有0.01g活性炭、0.001mol/dm3NaCl(支持电解质)和200ppm适当吸附物的悬浮液。使用浓度为0.1mol/dm3的HCl和NaOH溶液以及Φ360pH计将样品的pH调节至3。图3显示了活性炭1和活性炭悬浮液在不同波长下获得的示例性吸光度依赖性。由于缺乏干扰且记录信号变化较小，因此选择500nm的波长进行进一步研究。以15分钟的间隔测量测试悬浮液的吸光度5小时。

　　图3：活性炭1(a)和活性炭2(b)活性炭悬浮液在不同波长下的吸光度。

　　离子聚合物存在下活性炭悬浮液的稳定性机制

　　稳定性测试的结果如图4和图5所示。吸光度值越高，悬浮液越稳定(由于溶液的整个体积中存在固体颗粒)。聚丙烯酸的存在对活性炭悬浮液的稳定性没有显着影响。聚合物可能在吸附剂的孔中被吸附最多，这对固体颗粒的相互作用没有显着影响。另一方面，聚乙烯亚胺吸附导致系统稳定性明显恶化。从活性炭1中获得的材料的带正电荷的表面引起PEI阳离子链的垂直吸附。分子在距固体表面相当远的距离处延伸，通过在相邻颗粒之间形成聚合物连接而导致桥接絮凝(图6a)。以不同的方式，聚丙烯酸由于静电空间机制的发生而导致活性炭2系统的稳定(图6b)。当PAA和PEI同时存在时，两种活性炭系统都是最稳定的。所有上述稳定机制都发生在二元系统中。此外，可能会出现耗尽稳定力(图6c)。由于二元系统中吸附量较低，残留在溶液中的游离链阻止胶体颗粒形成大的聚集体和悬浮液不稳定。

　　图4：单吸附质和二元吸附质系统中活性炭1(a)和活性炭2(b)活性炭悬浮液在pH3时的稳定性。

　　图5：单一和二元吸附质系统中活性炭1和活性炭2悬浮液在pH3时150分钟后的吸光度。

　　图6：PEI的主要稳定/去稳定机制-桥联絮凝(a)、PAA-静电空间稳定(b)和二元系统-静电和耗尽稳定相结合(c)。

　　活性炭用于离子聚合物吸附，在测试活性炭的特点是对离子聚合物具有高吸附能力。聚丙烯酸的吸附量达到约190mg/g，聚乙烯亚胺的吸附量达到约80mg/g。由于在pH3的测试系统中呈现完全不同构象的聚合物链的竞争，聚合物从二元溶液中的吸附显着下降。离子聚合物对活性炭悬浮液的稳定性有很大影响。它们的存在也会影响固体颗粒形成的表面电荷密度、zeta电位和聚集体尺寸。活性炭1表面上显着发达的PEI链的最垂直吸附通过桥联絮凝导致悬浮液不稳定。另一方面，在含有活性炭2材料和离子聚合物的体系中发生了空间和电空间稳定。由于耗尽力产生了额外的稳定机制，双星系统是最稳定的。聚乙烯亚胺和聚丙烯酸大分子之间的竞争导致一些聚合物链保留在溶液中，这显着降低了絮凝趋势。

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