水滑石插层水玻璃(蛭石基功能吸附材料特点及制备技术)
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水滑石插层水玻璃(蛭石基功能吸附材料特点及制备技术)
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环境污染影响人类的健康和生活质量，水体污染是主要源头之一。吸附是一种简单有效的水处理方法。
鉴于活性炭成本高与再生困难等缺点，天然蛭石是典型的硅铝酸盐黏土，具有资源丰富、价廉易得、亲水、层板带负电荷、多级结构和物理化学性能稳定等优势，蛭石基吸附材料是蛭石应用于环境领域的重要功能材料，可有效去除水中的氨氮、重金属元素、磷酸盐、氟离子、稀土离子、有机物等污染物。
1、蛭石为什么能吸附污染物？
蛭石结构模型示意图
蛭石基吸附材料的吸附机理主要包括以下几个方面：
（1）基于层板带电荷，在带负电的表面上通过正负电的吸引来进行吸附；
（2）通过离子交换方式，进行各种金属离子的吸附分离；
（3）有机改性蛭石通过相似相容原理与待吸附物进行吸附；
（4）表面形貌，比如通过蛭石表面的多孔和层板边缘的棱角等进行吸附；
（5）其他协同作用，比如蛭石的强吸水性，蛭石片的大小和膨胀性能等。
这里必须指出，进行蛭石吸附机理的研究时，蛭石颗粒的大小必须限定，得出的机理才有实际意义。
2、蛭石基功能吸附材料制备
蛭石具有较大的比表面积和可交换的层间离子，经结构修饰后，其吸附或离子交换性能更强，改性蛭石被广泛用于去除工业废水中阳离子染料和农药中除草剂等，同时也被用作生活用水的净水剂和处理剂。
蛭石改性可以从以下几个方面入手：
通过碱和酸改性蛭石，可以明显提高阳离子的亚甲基蓝和还原红B吸附；
通过有机改性实现亲水到疏水和负电到正电的转换，使蛭石吸附性能和应用潜能显著提高。通过二巯基丙醇和腐蚀酸改性蛭石，可使其具有巯基和羟基功能基团，提高蛭石对Hg2+和邻苯二甲酸酯的吸附量。
通过壳聚糖改性制备改性蛭石，其对As3+的最大吸附量可达72.2mg/g。
通过氧化锰改性制备金属氧化物改性蛭石，其对Ag+的最大吸附量为69.2mg/g。
同时，研究发现，酸碱性和温度对蛭石吸附金属阳离子容量具有显著影响，吸附量随碱性增加而增加，随温度增加有所降低；通过长碳链烷基有机改性，可以显著提高蛭石层间距（2-5nm）和改变层间分子结构构型。
3、蛭石基复合功能吸附材料制备
离子交换和改性是制备蛭石新型功能材料的有效方法，但是被交换和改性的离子或有机物容易脱落，表现出结构不稳定等劣势。
（1）蛭石与水滑石复合材料
由于蛭石是阴离子黏土，只能吸附阳离子，难以吸附阴离子，严重限制了其在水处理和工业等领域的应用。
众所周知，水滑石（LDHs）是典型的阳离子黏土，恰好与蛭石相反，Tian等人采用原位合成的方法，在多级结构膨胀蛭石层间，原位生长不同尺寸结构的MgAl-LDHs薄膜，构建了3D多级结构功能材料。
蛭石（a），MgAg水滑石与蛭石的复合材料（MgAl-LDHs/蛭石）的SEM图（b-侧面SEM图；c-蛭石层板上负载MgAl-LDHs的SEM图），蛭石表面硅氧四面体晶体结构图（d），和方向MgAl-LDHs生长机理（e，f）
从上图可看出，蛭石的层板是非常光滑的，MgAl-LDHs以原位生长的方式在蛭石表面形成一层水滑石薄膜，并且可以深入膨胀蛭石内部。MgAl-LDHs通过晶格匹配方式，以倾斜方向在蛭石表面生长。采用制备的MgAl-LDHs/蛭石复合材料对水体中六价铬离子的吸附性能进行了研究，与纯MgAl-LDHs相比，其吸附量大约提高28%，且循环性能明显提高。
（2）蛭石和碳纳米管复合材料
蛭石是典型的无机材料，碳纳米管（CNTs）是典型的有机碳材料。并且CNTs被认为是最通用的纳米功能材料。如果能把碳纳米管与蛭石相结合，蛭石的性能将会显著改善。
Tian等人采用原位生长的方法，利用铁作催化剂，在膨胀蛭石层间，原位生长CNTs阵列，直接构建了汉堡式蛭石/CNTs多级结构复合材料，通过插层生长CNTs，膨胀蛭石体积可以膨胀到20~30倍，长度可以达到6cm。
蛭石（VMT）/碳纳米管复合材料制备机理图（a）、蛭石数字照片（b）、蛭石/碳纳米管复合材料SEM图（c，d）
蛭石（VMT）/碳纳米管复合材料可以直接用作吸附剂，对亚甲基蓝的清除率达到98%，性能明显高于同颗粒大小的活性炭。该方法制备的材料在扩大蛭石应用范围中表现出巨大优势。
来源：田维亮,葛振红.蛭石功能材料研究进展[J].精细化工,2019,36(04):541-548.
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