活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　由于具有高比表面积，活性炭被认为是吸附过程中的优秀材料。然而，它基本上是一种惰性多孔材料，它主要通过范德华力或伦敦分散力来结合污染物，因此它也有不能结合某些化学物质，包括金属和大多数无机物质。但是电容去离子技术，通过电吸附，电容效应从微咸水和海水中去除阳离子和阴离子污染物。活性炭广泛用作电容去离子技术的电极材料，并且活性炭的改性已经成为目前研究热点，用来增强表面化学，因为电荷在该过程中是必不可少的。为了改善活性炭在特定应用中的表面活性，在表面上赋予阳离子或阴离子电荷是先决条件，特别是在倒置电容去离子技术中。由于电荷的性质，可以使活性炭吸附效果更好，亲水，酸性或碱性。

　　为了研究怎么增强活性炭的表面活性，在此对吐温80(T80)和十六烷基溴化铵(HDTMA)这两种活性剂之间的协同作用对活性炭的电化学应用(电容去离子)的表面活性的研究。根据界面性质表征研究了二元混合物(T80-HDTMA)和HDTMA的聚集行为。建立了吐温80作为辅助表面活性剂对活性炭阳离子表面活性剂功能化应用的益处。该研究提供了一种新型电极，可用于倒置电容去离子技术。此外，它揭示了表面活性剂混合物对活性炭表面活性的有益影响，而不是单一表面活性剂。混合表面活性剂的协同作用不仅可以提高比电容，还可以诱导HDTMA在吸附状态下的稳定性。值得注意的是，非离子表面活性剂可生物降解，毒性低于阳离子表面活性剂。在该工作的最后部分中说明的可能的构象表明，由于空间稳定化，表面活性剂-表面活性剂侧向相互作用和表面活性剂-活性炭疏水相互作用的事实，在吐温80存在下HDTMA的吸附密度增加和强附着。

　　经过活性剂增强活性炭的形态学和界面特征

　　图1中的FE-SEM图像显示活性炭和改性活性炭和二元混合物改性活性炭之间的不同形态。图1a中活性炭的图像显示表面上的粗糙度和大孔，而改性活性炭在其表面上看起来光滑，带有一层表面活性剂。此外，图1c中的二元混合物改性活性炭样品显示出高度光滑的表面，并且表面层的饱和度高于图1b中的改性活性炭样品。所有这些观察结果都暗示了表面活性剂和活性炭表面之间通过疏水相互作用。接触角测量揭示了活性炭和改性活性炭的润湿行为，疏水性和亲水性强度的变化。前进和后退接触角都表现出类似的表面润湿性趋势。接触角的值显示了润湿性的顺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润湿性的高度改变可归因于吐温80具有高润湿能力。用季铵表面活性剂改性的活性炭酸盐表面的润湿性发生了显着变化。

　　图1：扫描电子显微镜图像和水滴在活性炭上形成的接触角。

　　两种活化剂协同作用的机制

　　离子和非离子表面活性剂之间的协同作用可以根据它们在溶液中或界面处的热力学替代排列来解释。不同于非离子表面活性剂，在水中的离子表面活性剂溶剂化总是由从头部基团与类似费用上升库仑斥力限制。在界面上吸附期间发生类似的情况，其中库仑排斥主导表面活性剂排列机制，这导致分子彼此远离。为了避免库仑斥力通过空间位阻，使离子表面活性剂分子彼此接近。阳离子表面活性剂的吸附密度增加，由于非离子表面活性剂的存在，通过屏蔽降低阳离子头基之间的排斥力为主要原因。非离子表面活性剂的高表面活性和与离子表面活性剂的疏水相互作用被认为是混合物中熵效应的主要因素。

　　界面处的表面活性剂的取向源于其分子的异质性。由于活性炭是高度疏水的，因此在熵和焓有利性的控制下，表面活性剂分子的疏水部分被迫与活性炭表面结合。已知在图2中已经提出了HDTMA和吐温80在悬浮液中的活性炭颗粒表面上的排列机制，其描绘了表面活性剂在活性炭颗粒上的吸附。表面活性剂在界面处的聚集行为的机理，其中烷基链吸附在疏水表面上，而环氧乙烷头基团取向成水溶液。图2a显示了在库仑排斥控制下HDTMA的假设排列。HDTMA分子倾向于占据活性炭颗粒表面上彼此远离的位点，以便使具有相同电荷的头组之间的库仑排斥力最小化。图2b显示了二进制系统中HDTMA与吐温80的不同排列。吐温80诱导空间位阻，其抑制阳离子表面活性剂分子的头部基团之间的库仑排斥。HDTMA分子彼此接近，因此提示自由空间吸附额外的HDTMA分子。

　　图2：(a)铵活化剂，(b)两种活化剂在低浓度单层(半纤维素)形式的活性炭颗粒表面上的排列，(c)渗透，(d)高层混合双层浓度。

　　所提出的图2c中的吸附模式描述了活性炭位点与吐温80和HDTMA的混合溶液在接近临界胶束浓度下的相互作用。在图2c中，阳离子和非离子表面活性剂的疏水链与活性炭相互作用疏水相互作用，以及吸附状态下表面活性剂之间的链-链侧向相互作用。在高浓度下，表面变得饱和，因此发生了粘胶形成的发生。过量的阳离子表面活性剂在吸附状态下开始渗透单层表面活性剂。事实上，活性炭具有吸附非极性和极性化合物的双重性质，因此吸附机制导致表面上表面活性剂的取向不同。疏水尾部和亲水头部都可以通过疏水相互作用(显性)或分散力与活性炭相互作用。在图2d中根据它们相互作用的活性炭位点，HDTMA和吐温80分子可以采取不同的取向。第二层的形成可能源于具有相反取向的表面活性剂之间的疏水相互作用，或者渗透到单层中以形成混合构象。

　　用表面活性剂改性的活性炭在电吸附过程中具有潜在的应用，其中表面电荷和润湿性起重要作用。用离子表面活性剂功能化的活性炭电极最近在电容去离子技术，特别是反向电容去离子系统中引起了相当大的关注。图3表明在用吐温80和HDTMA的二元混合物改性的活性炭上吸附阴离子。吐温80的存在表明HDTMA的吸附密度增强，完美填充(高稳定性)，这在电吸附过程中都是值得的。实际上，HDTMA的增强的吸附密度诱导了阴离子污染物的高吸附能力。此外，改进的填料赋予表面活性剂在表面上的稳定性。这些特殊效果是混合表面活性剂体系应用的最终目标之一，为了提高活性炭的表面活性，对于单一表面活性剂体系来说，这是不可能发生的。

　　图3：阴离子在功能化活性炭电极上的吸附。

　　精心设计的表面活性剂混合物可以将活性炭电极的物理/化学和电化学性质提高到单一表面活性剂不能单独达到的水平。T80和HDTMA混合系统在本研究中显示出优于HDTMA系统的巨大优势。由于吐温80的作用，活性炭在吸附过程中非常重要，因此获得了良好的润湿性。依次处理的二元混合物改性活性炭制剂中的阳离子滴定显示出HDTMA的增强的吸附密度。观察到吐温80对粉末状活性炭的显着尺寸依赖性活性。电化学表征显示，即使在高于临界胶束浓度的浓度下，二元混合物改性活性炭中的比电容也比单一改性活性炭更好。稳定性测试揭示了在吐温80存在下HDTMA在官能化活性炭颗粒表面上的高附着性，具有稳定的循环。此外，描述了表面活性剂在活性炭颗粒表面上的假设机理。与离子表面活性剂混合的非离子表面活性剂配方比单独的离子表面活性剂具有更好的界面行为。从某种意义上说，HDTMA与吐温80的混合物对活性炭表面活性的增强具有特殊的作用。

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