通过COSMO-RS方法系统地设计和筛选新型氨基酸离子液体，作为从普通小球藻（Chlorella vulgaris）中可持续生产生物柴油的催化剂

《Journal of Molecular Liquids》：Systematic design and screening of novel amino acid ionic liquids via COSMO-RS as a catalyst for sustainable biodiesel production from Chlorella vulgaris

本研究通过分步吸附法探究阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠改性飞灰对阳离子表面活性剂十二烷基吡啶氯盐的吸附特性。结果表明，当改性剂负载量超过临界胶束浓度时，吸附量接近Langmuir容量。结合Langmuir-Liu方程构建的新模型有效描述了吸附曲线，并通过热力学分析验证了表面活性剂取向模型。

　　飞灰（Fly Ash, FA）是一种常见的工业废弃物，通常是在燃煤发电过程中产生的矿物残渣。它被从电厂的废气中捕获并收集，用于进一步的利用或处理。飞灰是一种细小、玻璃状的粉末，主要由硅、铝和铁等元素组成。飞灰中包含多种矿物，如石英、辉石、长石、莫来石和赤铁矿等，这些成分在飞灰的结构和吸附性能中起着重要作用。此外，飞灰中还可能含有部分球形颗粒，称为“空心球”（cenospheres），这些颗粒在飞灰的表面形态和物理特性中具有显著影响。

在实际应用中，飞灰因其低廉的成本和广泛的可用性，成为一种潜在的吸附材料。然而，其原始状态下的吸附能力有限，因此许多研究致力于通过改性手段提高其性能。其中，使用表面活性剂是一种常见的改性方法。表面活性剂具有极性和非极性区域，根据其水合头基的净电荷可以分为阴离子型、阳离子型、非离子型和两性型。它们在工业和商业领域中广泛应用，如洗涤剂、金属处理、矿物浮选、农药、石油开采、制药配方、乳液聚合和颗粒生长等过程。由于这些应用的广泛性，表面活性剂也可能成为水体污染的来源，因此需要从废水中去除。

在飞灰改性研究中，阴离子型表面活性剂十二烷基硫酸钠（Sodium Dodecyl Sulfate, SDS）是一种常用的改性剂。它能够改变飞灰的表面性质，从而提高其对阳离子型表面活性剂十六烷基氯化吡啶inium（Cetyl Pyridinium Chloride, CPC）的吸附能力。通过将飞灰浸泡在不同浓度的SDS溶液中，可以得到具有不同吸附性能的飞灰样品。这些样品在不同温度条件下对CPC的吸附能力表现出显著差异，说明改性过程和环境条件对吸附行为具有重要影响。

本研究的重点在于通过顺序吸附法，探讨飞灰经SDS改性后的吸附特性，特别是在去除CPC方面的能力。实验中使用了不同浓度的SDS溶液（1.0×10??、2.0×10??和5.0×10?3 mol/dm3）对飞灰进行改性处理，并在298–318 K的温度范围内评估其对CPC的吸附能力。研究发现，当SDS的负载量超过其临界胶束浓度（Critical Micelle Concentration, CMC）时，飞灰对CPC的吸附能力显著提高。CMC是表面活性剂在水中形成胶束的最低浓度，当表面活性剂浓度超过CMC时，其分子会开始自组装形成胶束结构，从而改变其在吸附过程中的行为。

在实验中，飞灰经SDS改性后，其对CPC的吸附能力在不同温度下表现出不同的变化趋势。其中，当SDS的负载量高于其CMC时，飞灰在七次吸附循环后对CPC的吸附量达到0.820×10?? mol/g，这与Langmuir吸附容量（0.853×10?? mol/g）非常接近。相比之下，当SDS的负载量较低时，飞灰对CPC的吸附能力显著下降，分别达到0.662×10?? mol/g和0.527×10?? mol/g，远低于其Langmuir吸附容量（分别为3.731×10?? mol/g和1.374×10?? mol/g）。这表明，SDS的负载量对飞灰的吸附性能具有重要影响，尤其是在达到CMC后，飞灰的吸附能力显著提升。

为了更准确地描述飞灰在不同SDS负载量下的吸附行为，研究者提出了一个新的模型，结合Langmuir和Liu吸附等温线，以考虑半胶束结构和最大吸附容量。该模型能够有效模拟L-S形状的吸附曲线，即在低浓度范围内吸附量随浓度线性增加，而在高浓度范围内吸附量趋于饱和。此外，研究者还通过计算吸附常数与温度的多项式关系，进一步探讨了吸附过程的热力学特性，包括吉布斯自由能、焓变和熵变。这些热力学参数的变化趋势与所提出的表面活性剂取向模型一致，表明模型能够合理解释飞灰在不同SDS负载量下的吸附行为。

在实验设计方面，为了减少实验误差，研究者采用顺序吸附法，并使用1.0×10?? M CPC溶液在与飞灰平衡的水体系（Water Equilibrated with Fly Ash, WEFA）中进行吸附实验。这种实验方法能够有效避免因胶束形成而导致的浓度测定误差，提高实验数据的准确性。此外，研究者还通过X射线衍射（XRD）和原子力显微镜（AFM）等技术对飞灰的物理结构和表面特性进行了表征。XRD分析结果显示，飞灰中含有多种矿物，如石英、辉石、长石、莫来石和赤铁矿等，这些矿物的种类和分布对飞灰的吸附性能具有重要影响。AFM图像则进一步揭示了飞灰的表面形态，包括空心球和微球的结构，这些结构可能影响表面活性剂在飞灰表面的分布和吸附行为。

在吸附机制的研究中，研究者采用了多种吸附等温线模型，包括Freundlich、Langmuir和结合Langmuir-Liu的模型，以评估CPC在飞灰和SDS改性飞灰上的吸附行为。Freundlich等温线适用于非理想吸附过程，而Langmuir等温线则适用于理想吸附过程，即吸附位点均匀且表面活性剂分子之间不相互作用。结合Langmuir-Liu模型则能够更好地描述在不同SDS负载量下的吸附行为，尤其是在达到CMC后，吸附量趋于饱和的现象。通过这些模型的分析，研究者能够更全面地理解飞灰在不同条件下的吸附能力，并为实际应用提供理论依据。

此外，研究者还探讨了吸附过程的热力学特性，包括吉布斯自由能、焓变和熵变。这些参数的变化趋势与所提出的表面活性剂取向模型一致，表明模型能够合理解释飞灰在不同SDS负载量下的吸附行为。通过分析这些热力学参数，研究者能够进一步评估飞灰在不同温度和SDS负载量下的吸附能力，并为其在废水处理中的应用提供参考。

在实际应用中，飞灰经SDS改性后，可以作为一种低成本的吸附材料，用于去除废水中的阳离子型表面活性剂。这不仅有助于减少水体污染，还能够提高废水处理的经济性和可行性。因此，研究飞灰在不同SDS负载量下的吸附能力，对于开发高效、经济的废水处理技术具有重要意义。

综上所述，飞灰经SDS改性后，其吸附能力显著提高，尤其是在达到CMC后，吸附量趋于饱和。通过顺序吸附法和多项式模型的分析，研究者能够更准确地描述飞灰在不同条件下的吸附行为，并为实际应用提供理论支持。此外，飞灰的物理结构和表面特性对其吸附性能具有重要影响，因此对其表征是研究的重要基础。这些研究成果不仅有助于理解飞灰在废水处理中的作用，还能够为开发新型吸附材料提供参考。