经过表面改性的颗粒活性炭，具备增强的界面疏水性和静电捕获能力，可用于选择性去除高氯酸盐

《Journal of Hazardous Materials》：Surface-functionalized granular activated carbon with enhanced interfacial hydrophobicity and electrostatic capture for selective perchlorate removal

　　

摘要

高氯酸盐（ClO₄?）是一种持久且有毒的氧阴离子，广泛用于军事和工业活动。由于其高溶解度和化学稳定性，在饮用水处理中构成了重大挑战。为了满足日益严格的监管要求，适用于大规模处理的吸附剂必须兼具高选择性、快速动力学和材料安全性。本文介绍了一种改性的颗粒活性炭（GAC），该活性炭使用了聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA）作为改性剂，PDDA是一种在水处理过程中广泛使用的阳离子聚电解质。PDDA-GAC对常见的竞争阴离子具有高选择性的同时，吸附动力学也非常快速，可在10分钟内达到饱和。其出色的性能归因于独特的表面功能化处理。增强的表面疏水性（接触角：71.2°）有助于富集弱水合的高氯酸盐离子，这些离子随后通过较强的静电作用（约70 kcal/mol）被易于接触的季铵基团迅速捕获，从而减小了颗粒内部的扩散阻力。在含有500 μg/L高氯酸盐的原水进行固定床处理时，PDDA-GAC在处理量达到70 μg/L时的处理容量从原始GAC的950个床体积增加到3250个床体积，并保持了优异的重复使用性能。总体而言，这项工作提供了一种高效、快速且安全的吸附平台，具有很强的实际应用潜力。

部分摘录

引言

高氯酸盐（ClO₄?）是一种持久的人为污染物，主要来源于火箭推进剂、烟花、炸药和气囊充气系统的生产和使用[45, [49], [8]。由于高氯酸盐能够抑制甲状腺对碘的吸收，可能导致甲状腺功能障碍[1, [54], [56]，因此其对环境造成了严重的健康威胁。因此，许多国家和地区已经制定了严格的高氯酸盐监管限制。

化学物质与材料

颗粒活性炭（GAC）由Mulinsen Activated Carbon Co. Ltd.（中国）提供。标准天然有机物（Suwannee河天然有机物，SRNOM）购自国际腐殖质学会（美国明尼苏达州圣保罗市）。使用的PDDA分子量范围为<100 kDa（≥35.0%），100-200 kDa（约20.0%），200-350 kDa（约20.0%），400-500 kDa（约20.0%）；二甲基二烯丙基氯化铵（DDA）纯度≥65.0%；乙醇；盐酸（HCl）浓度37.0%；氢氧化钠（NaOH）纯度≥98.0%；过氯酸钠（NaClO₄）。

合成与表征

PDDA-GAC的制备方法是將PDDA（分子量≤100 kDa）以最佳质量比（PDDA:GAC = 2:5）负载到常规GAC上，具体过程如图1a和图S1所示。FTIR分析证实了改性的成功。图S2显示，PDDA-GAC的谱线在1472 cm^-1处出现了一个新的峰值，该峰是QA基团的特征峰，在原始GAC中不存在，进一步证明了PDDA的成功引入[61]。XPS分析也验证了这一结果。

结论

总结来说，本研究开发了一种经过PDDA改性的GAC吸附剂，能够高效且选择性地去除饮用水中的高氯酸盐。主要研究结果如下：

（1）PDDA成功固定在GAC表面，具有良好的结构稳定性和低的浸出率。由于其大分子结构，PDDA的扩散受到限制，不会进入GAC的狭窄孔道，从而保持了孔道的内部可及性，同时形成了富含疏水区域的界面层。

重要性声明

高氯酸盐（ClO₄?）的污染对饮用水安全构成持久威胁，因为它具有高迁移性、化学稳定性，并且难以被传统方法去除。本研究表明，使用PDDA对GAC进行表面功能化处理——PDDA是一种获得饮用水处理许可的替代阳离子表面活性剂——可以提高其对高氯酸盐的选择性、吸附动力学以及在原水中的固定床处理性能。这种增强的去除效果源于疏水性与其他物质之间的协同作用。

CRediT作者贡献声明

**Bu Lingjun**：验证、方法论设计、概念构思。**Zhou Shiqing**：验证、项目管理、数据分析。**Xin Hao**：初稿撰写、数据可视化、实验设计。**Ao Jian**：方法论设计、数据分析。**Xiao Jiaxin**：数据可视化、软件应用、实验设计。**Lu Guoci**：数据可视化、实验设计。**Wu Yangtao**：初稿撰写与修订、监督、项目管理、资金筹集。**Wang Jue**：初稿撰写与修订、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFC3207904）的资助。

Hao Xin|Jian Ao|Yangtao Wu|Jue Wang|Jiaxin Xiao|Guoci Lu|Lingjun Bu|Shiqing Zhou

湖南大学土木工程学院湖南水安全技术与应用工程研究中心，长沙410082，中国