由于具有高比表面積，活性炭被認(rèn)為是吸附過程中的優(yōu)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(lái)結(jié)合污染物，因此它也有不能結(jié)合某些化學(xué)物質(zhì)，包括金屬和大多數(shù)無(wú)機(jī)物質(zhì)。但是電容去離子技術(shù)，通過電吸附，電容效應(yīng)從微咸水和海水中去除陽(yáng)離子和陰離子污染物。活性炭廣泛用作電容去離子技術(shù)的電極材料，并且活性炭的改性已經(jīng)成為目前研究熱點(diǎn)，用來(lái)增強(qiáng)表面化學(xué)，因?yàn)殡姾稍谠撨^程中是必不可少的。為了改善活性炭在特定應(yīng)用中的表面活性，在表面上賦予陽(yáng)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(shù)中。由于電荷的性質(zhì)，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(qiáng)活性炭的表面活性，在此對(duì)吐溫80(T80)和十六烷基溴化銨(HDTMA)這兩種活性劑之間的協(xié)同作用對(duì)活性炭的電化學(xué)應(yīng)用(電容去離子)的表面活性的研究。根據(jù)界面性質(zhì)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(duì)活性炭陽(yáng)離子表面活性劑功能化應(yīng)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(shù)。此外，它揭示了表面活性劑混合物對(duì)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(xié)同作用不僅可以提高比電容，還可以誘導(dǎo)HDTMA在吸附狀態(tài)下的穩(wěn)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(yáng)離子表面活性劑。在該工作的最后部分中說明的可能的構(gòu)象表明，由于空間穩(wěn)定化，表面活性劑-表面活性劑側(cè)向相互作用和表面活性劑-活性炭疏水相互作用的事實(shí)，在吐溫80存在下HDTMA的吸附密度增加和強(qiáng)附著。

　　經(jīng)過活性劑增強(qiáng)活性炭的形態(tài)學(xué)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(tài)。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(lái)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(jié)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(cè)量揭示了活性炭和改性活性炭的潤(rùn)濕行為，疏水性和親水性強(qiáng)度的變化。前進(jìn)和后退接觸角都表現(xiàn)出類似的表面潤(rùn)濕性趨勢(shì)。接觸角的值顯示了潤(rùn)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(rùn)濕性的高度改變可歸因于吐溫80具有高潤(rùn)濕能力。用季銨表面活性劑改性的活性炭酸鹽表面的潤(rùn)濕性發(fā)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(xié)同作用的機(jī)制

　　離子和非離子表面活性劑之間的協(xié)同作用可以根據(jù)它們?cè)谌芤褐谢蚪缑嫣幍臒崃�學(xué)替代排列來(lái)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(tuán)與類似費(fèi)用上升庫(kù)侖斥力限制。在界面上吸附期間發(fā)生類似的情況，其中庫(kù)侖排斥主導(dǎo)表面活性劑排列機(jī)制，這導(dǎo)致分子彼此遠(yuǎn)離。為了避免庫(kù)侖斥力通過空間位阻，使離子表面活性劑分子彼此接近。陽(yáng)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(yáng)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(rèn)為是混合物中熵效應(yīng)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(zhì)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(jié)合。已知在圖2中已經(jīng)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(jī)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(jī)理，其中烷基鏈吸附在疏水表面上，而環(huán)氧乙烷頭基團(tuán)取向成水溶液。圖2a顯示了在庫(kù)侖排斥控制下HDTMA的假設(shè)排列。HDTMA分子傾向于占據(jù)活性炭顆粒表面上彼此遠(yuǎn)離的位點(diǎn)，以便使具有相同電荷的頭組之間的庫(kù)侖排斥力最小化。圖2b顯示了二進(jìn)制系統(tǒng)中HDTMA與吐溫80的不同排列。吐溫80誘導(dǎo)空間位阻，其抑制陽(yáng)離子表面活性劑分子的頭部基團(tuán)之間的庫(kù)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(diǎn)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(yáng)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(tài)下表面活性劑之間的鏈-鏈側(cè)向相互作用。在高濃度下，表面變得飽和，因此發(fā)生了粘膠形成的發(fā)生。過量的陽(yáng)離子表面活性劑在吸附狀態(tài)下開始滲透單層表面活性劑。事實(shí)上，活性炭具有吸附非極性和極性化合物的雙重性質(zhì)，因此吸附機(jī)制導(dǎo)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(jù)它們相互作用的活性炭位點(diǎn)，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(gòu)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(yīng)用，其中表面電荷和潤(rùn)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(shù)，特別是反向電容去離子系統(tǒng)中引起了相當(dāng)大的關(guān)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(qiáng)，完美填充(高穩(wěn)定性)，這在電吸附過程中都是值得的。實(shí)際上，HDTMA的增強(qiáng)的吸附密度誘導(dǎo)了陰離子污染物的高吸附能力。此外，改進(jìn)的填料賦予表面活性劑在表面上的穩(wěn)定性。這些特殊效果是混合表面活性劑體系應(yīng)用的最終目標(biāo)之一，為了提高活性炭的表面活性，對(duì)于單一表面活性劑體系來(lái)說，這是不可能發(fā)生的。

　　圖3：陰離子在功能化活性炭電極上的吸附。

　　精心設(shè)計(jì)的表面活性劑混合物可以將活性炭電極的物理/化學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)提高到單一表面活性劑不能單獨(dú)達(dá)到的水平。T80和HDTMA混合系統(tǒng)在本研究中顯示出優(yōu)于HDTMA系統(tǒng)的巨大優(yōu)勢(shì)。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(rùn)濕性。依次處理的二元混合物改性活性炭制劑中的陽(yáng)離子滴定顯示出HDTMA的增強(qiáng)的吸附密度。觀察到吐溫80對(duì)粉末狀活性炭的顯著尺寸依賴性活性。電化學(xué)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(wěn)定性測(cè)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(wěn)定的循環(huán)。此外，描述了表面活性劑在活性炭顆粒表面上的假設(shè)機(jī)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(dú)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(duì)活性炭表面活性的增強(qiáng)具有特殊的作用。

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