活性炭用于離子聚合物吸附

　　在環(huán)境修復(fù)和水處理領(lǐng)域，有效去除水介質(zhì)中的污染物仍然是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。活性炭由于其大表面積和多分散多孔結(jié)構(gòu)，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(guò)程在水處理技術(shù)中非常重要。了解高度分散懸浮液失穩(wěn)的各種機(jī)制對(duì)于有效純化水溶液至關(guān)重要。

　　離子聚合物以其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，可以影響活性炭懸浮液的穩(wěn)定性。這些聚合物的特點(diǎn)是沿其鏈存在帶電官能團(tuán)，已證明能夠與分散的顆粒相互作用并影響其穩(wěn)定性和聚集。這些大分子對(duì)懸浮液穩(wěn)定性的影響基于以下幾種機(jī)制：空間、電空間和損耗穩(wěn)定性。固體表面上的聚合物吸附導(dǎo)致空間穩(wěn)定，從而降低了顆粒之間的范德華吸引力。靜電空間機(jī)制是靜電和空間穩(wěn)定的組合。聚合物吸附層導(dǎo)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(huì)抑制損耗吸引或損耗穩(wěn)定。

　　活性炭的表面形態(tài)

　　在本研究中，通過(guò)聚丙烯酸和聚乙烯亞胺溶液和一些生物質(zhì)熱化學(xué)處理獲得的活性炭被用作水懸浮液的成分。測(cè)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(zhì)材料聚集體的zeta電位和尺寸。檢查了單組分和雙組分系統(tǒng)中的聚合物對(duì)活性炭懸浮液穩(wěn)定性的影響。通過(guò)應(yīng)用SEM技術(shù)測(cè)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(tài)。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(tài)。

　　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(cè)試在25℃下進(jìn)行24小時(shí)，使用10cm3含有0.1g活性炭、200ppm適當(dāng)聚合物和0.001mol/dm3.NaCl的懸浮液作為支持電解質(zhì)。吸附在聚合物吸附物的單一和二元系統(tǒng)中進(jìn)行。該過(guò)程完成后，使用MPW233e微量離心機(jī)從溶液中分離固體。根據(jù)處理前后溶液中吸附物濃度的變化，使用靜態(tài)方法測(cè)定吸附聚合物的量。聚丙烯酸的濃度是根據(jù)其反應(yīng)來(lái)確定的，該反應(yīng)導(dǎo)致形成白色復(fù)合物。所得化合物吸收波長(zhǎng)500nm的光。在聚乙烯亞胺的情況下，使用與CuCl2的反應(yīng)。這形成了吸收波長(zhǎng)285nm的光的藍(lán)色復(fù)合物。使用UV-Vis分光光度計(jì)進(jìn)行吸光度測(cè)量。

　　穩(wěn)定性測(cè)試

　　分光光度法用于穩(wěn)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(zhì))和200ppm適當(dāng)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(jì)將樣品的pH調(diào)節(jié)至3。圖3顯示了活性炭1和活性炭懸浮液在不同波長(zhǎng)下獲得的示例性吸光度依賴性。由于缺乏干擾且記錄信號(hào)變化較小，因此選擇500nm的波長(zhǎng)進(jìn)行進(jìn)一步研究。以15分鐘的間隔測(cè)量測(cè)試懸浮液的吸光度5小時(shí)。

　　圖3：活性炭1(a)和活性炭2(b)活性炭懸浮液在不同波長(zhǎng)下的吸光度。

　　離子聚合物存在下活性炭懸浮液的穩(wěn)定性機(jī)制

　　穩(wěn)定性測(cè)試的結(jié)果如圖4和圖5所示。吸光度值越高，懸浮液越穩(wěn)定(由于溶液的整個(gè)體積中存在固體顆粒)。聚丙烯酸的存在對(duì)活性炭懸浮液的穩(wěn)定性沒(méi)有顯著影響。聚合物可能在吸附劑的孔中被吸附最多，這對(duì)固體顆粒的相互作用沒(méi)有顯著影響。另一方面，聚乙烯亞胺吸附導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)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(yáng)離子鏈的垂直吸附。分子在距固體表面相當(dāng)遠(yuǎn)的距離處延伸，通過(guò)在相鄰顆粒之間形成聚合物連接而導(dǎo)致橋接絮凝(圖6a)。以不同的方式，聚丙烯酸由于靜電空間機(jī)制的發(fā)生而導(dǎo)致活性炭2系統(tǒng)的穩(wěn)定(圖6b)。當(dāng)PAA和PEI同時(shí)存在時(shí)，兩種活性炭系統(tǒng)都是最穩(wěn)定的。所有上述穩(wěn)定機(jī)制都發(fā)生在二元系統(tǒng)中。此外，可能會(huì)出現(xiàn)耗盡穩(wěn)定力(圖6c)。由于二元系統(tǒng)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(wěn)定。

　　圖4：?jiǎn)挝�附質(zhì)和二元吸附質(zhì)系統(tǒng)中活性炭1(a)和活性炭2(b)活性炭懸浮液在pH3時(shí)的穩(wěn)定性。

　　圖5：?jiǎn)我缓投�元吸附質(zhì)系統(tǒng)中活性炭1和活性炭2懸浮液在pH3時(shí)150分鐘后的吸光度。

　　圖6：PEI的主要穩(wěn)定/去穩(wěn)定機(jī)制-橋聯(lián)絮凝(a)、PAA-靜電空間穩(wěn)定(b)和二元系統(tǒng)-靜電和耗盡穩(wěn)定相結(jié)合(c)。

　　活性炭用于離子聚合物吸附，在測(cè)試活性炭的特點(diǎn)是對(duì)離子聚合物具有高吸附能力。聚丙烯酸的吸附量達(dá)到約190mg/g，聚乙烯亞胺的吸附量達(dá)到約80mg/g。由于在pH3的測(cè)試系統(tǒng)中呈現(xiàn)完全不同構(gòu)象的聚合物鏈的競(jìng)爭(zhēng)，聚合物從二元溶液中的吸附顯著下降。離子聚合物對(duì)活性炭懸浮液的穩(wěn)定性有很大影響。它們的存在也會(huì)影響固體顆粒形成的表面電荷密度、zeta電位和聚集體尺寸�；钚蕴�1表面上顯著發(fā)達(dá)的PEI鏈的最垂直吸附通過(guò)橋聯(lián)絮凝導(dǎo)致懸浮液不穩(wěn)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(fā)生了空間和電空間穩(wěn)定。由于耗盡力產(chǎn)生了額外的穩(wěn)定機(jī)制，雙星系統(tǒng)是最穩(wěn)定的。聚乙烯亞胺和聚丙烯酸大分子之間的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致一些聚合物鏈保留在溶液中，這顯著降低了絮凝趨勢(shì)。

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