东南大学张友法团队small封面：三维疏水活性炭，长效水气净化
纳米人
2023-11-28
吸附技术由于其成本低、操作方便、效率高而具有独特的优势，被广泛应用于处理受污染的空气/水。活性炭是作为一种常见的吸附材料，具有发达的孔结构，丰富的官能团，高机械强度和耐酸碱性等优点，比其他商业吸附剂更具商业潜力。然而活性炭表面含有大量的含氧官能团，对水分子表现出很高的亲和力，水分子的竞争吸附会导致活性炭对目标污染物的吸附能力降低。
因此必须开发具有优异疏水性和强吸附能力的活性炭。为实现这些要求，东南大学张友法团队通过在商业化的柱状活性炭上进行表面单层硅烷化（图1），设计出一种简单有效的疏水性活性炭制备策略。该文章以”3D Monolayer Silanation of Porous Structure Facilitating Multi-Phase Pollutants Removal”为题发表于Small。
图1 疏水性AC的示意图，用于多种应用，包括高效甲苯吸附，含油污水净化，小球藻和AOM吸附。初始AC和三氯丙基硅烷采用接枝反应方式
研究表明，三氯丙基硅烷和水会形成硅氧烷，超声时间越长，交联的硅氧烷使得AC的疏水性也越强，但硅氧烷过度交联后会堵塞微孔并降低的AC的吸附能力，除此之外，立体位阻会导致长链烷基的接枝减少和疏水性降低，温度也是制备时影响疏水性的重要因素，超过200°C的干燥温度可能导致接枝烷基链的热分解。最终制备的疏水性AC中─OH基团含量相对较少，极性位点的减少使得水蒸气吸附量显著降低（图2c）。
研究发现，接枝亲油烷基链的疏水AC比初始AC拥有更好的水下吸附油滴能力（图3a），疏水AC在搅拌120分钟后几乎完全将乳化油吸附去除，乳液变得澄清，乳液的COD值也从3968降至0 mg·L−1，而初始活性炭的分离效率不足73%。其主要原因是，水滴不能完全填充疏水性AC的孔隙，多出的空间使得疏水性AC比初始AC具有更高的吸附能力。更重要的是，即使是在酸碱盐的环境下，疏水AC仍保持良好的吸附能力（图3g，h）。
由于藻类分泌AOM，这会影响饮用水的安全性，危害人类生命健康，人们越来越关注地表水中藻类的繁殖和去除问题。研究发现，初始AC对小球藻的吸附效果较差，而疏水性AC不仅能有效去除小球藻细胞（图4a-c），还能有效去除水中的AOM。这是因为初始AC对细胞外高分子物质的吸附主要靠的是分子间作用力，而疏水性AC表面与小球藻表面存在明显的电荷差异（图4f），可以凭借静电吸引力增强对小球藻的吸附（图4g），因此疏水性AC对小球藻和AOM具有更优异的去除效果。
Ji Y, Zhuang Y, Jiao X, et al. 3D Monolayer Silanation of Porous Structure Facilitating Multi-Phase Pollutants Removal[J]. Small, n/a(n/a): 2303658. Doi：https://doi.org/10.1002/smll.202303658
