环境材料与生态化学研究发展中心知识库

    凹凸棒石（APT）是一种具有纳米棒状晶体形态和纳米孔道结构的天然含水富镁铝硅酸盐黏土矿物，具有优异的吸附、胶体、载体和补强性能，在精细化工、功能材料、催化、建材和环保等领域显示出巨大的应用前景。其中，吸附性能是凹凸棒石最主要的应用性能，然而，天然凹凸棒石本身的吸附性能有限且回收利用困难，并表现出强的产地依赖性，这些因素制约了其在很多领域中的高值化应用。因此，迫切需要进一步发挥科学技术的先导作用，解决凹凸棒石吸附剂的共性问题。本论文聚焦凹凸棒石功能化的关键问题，涉及纳米复合、微观结构调控和功能杂化等多种方法，其主要研究结果如下： 

    1．采用硅烷偶联剂改性和表面原位负载炭的方法制备了2个系列的凹凸棒石高效棕榈油脱色剂，探讨了硅烷偶联剂和炭复合对凹凸棒石结构、形貌、表面电荷、孔结构以及脱色性能的影响。结果显示，硅烷偶联剂改性后，凹凸棒石的脱色率明显提高，不同偶联剂对脱色性能的贡献为：KH550>KH570>KH560。经KH550改性凹凸棒石脱色后，棕榈油的红值、黄值和磷脂分别降低了32.25%、31.93%和77.69%。当炭源（壳聚糖）量为3wt.%，煅烧温度为280°C时，制备的复合物性能最佳，最优载炭复合物对棕榈毛油的脱色率、脱磷脂率和脱过氧化物率分别为57.36%、43.11%和76.34%。“废弃”的脱色剂可通过煅烧活化实现循环利用，再生吸附剂可以脱除200mg/L溶液中99.5%以上的亚甲基蓝（MB）、甲基紫（MV）和孔雀石绿（MG）分子。

    2．以天然富镁卤水和凹凸棒石为原料，采用表面负载法制备了APT/MgO复合吸附剂，考察了吸附剂对水体中Zn²⁺和Cd²⁺的吸附性能。结果表明，当卤水用量为12mL，煅烧温度为400°C时制备的吸附剂性能最佳，最佳吸附剂对Zn²⁺和Cd²⁺的饱和吸附量分别达到了840.81mg/g和672.94mg/g，而且对200mg/L溶液中Zn²⁺和Cd²⁺的去除率达到99.0%以上。使用后的吸附剂可通过一步煅烧法再生，用于高效去除水体中的染料污染物（去除率大于99.0%）。

    3．分别用硫化钠和硫化铵溶液对凹凸棒石进行了水热处理，系统考察了水热过程对凹凸棒石结构及其阳离子染料吸附性能的影响。结果表明，硫化钠可以促进凹凸棒石中Si–O–Si(M)键的解离和重组，形成活性更高的Si-O-基团。硫化铵可以在保持棒晶结构的前提下，促进凹凸棒石棒晶分散和增加表面负电荷，有效提升吸附性能。硫化钠改性凹凸棒石（SSAPT）和硫化铵改性凹凸棒石（ASAPT）对MV的吸附量分别为289.87mg/g和232.08mg/g，分别比凹凸棒石原矿提高了70.5%和36.5%。

    4．为高效转化和利用凹凸棒石黏土的伴生矿物，引入两种及以上的改性剂（硅酸钠、硫酸镁、一氯乙酸）对凹凸棒石水热改性。研究结果表明，凹凸棒石及其伴生的石英、方解石、白云石等矿均转变为高活性的硅酸盐，吸附剂的比表面积高达407.3 m²/g。当硅镁比为2:1时，吸附剂对MB和Cu²⁺的饱和吸附量为527.22和210.64 mg/g，分别比凹凸棒石原矿提高了161.2%和99.3%。在引入氯乙酸进行羧基功能化后，对金霉素（CTC）和土霉素（OTC）的吸附量达到329.84 mg/g和207.47 mg/g，分别比凹凸棒石原矿提高了218.9%和107.9%。

    5．分别以吸附MV后的凹凸棒石和硝酸银以及凹凸棒石、苯胺和硝酸银为原料，采用一锅法制备了凹凸棒石/炭/纳米银（APT/C/AgNPs）和凹凸棒石/聚苯胺/纳米银（APT/PANI/AgNPs）复合物。吸附结果表明，当硝酸银的量为5%时，所得APT/C/AgNPs复合物的吸附效果最好，仅需1.0g/L的剂量即可将100mg/L溶液中的MB分子去除99.2%；而APT/PANI/AgNPs对50mg/L溶液中H2PO4-的去除率高达99.4%。催化结果表明，APT/C/AgNPs仅需390s就可以完全转化20mg/L溶液中的4-硝基苯酚（4-NP）。在硝酸银/苯胺的摩尔比为1:3.6时，APT/PANI/AgNPs复合物仅需120s就可完全催化转化20mg/L溶液中的4-NP；仅需400s就可完全催化还原20mg/L溶液中的刚果红（CR）。循环使用8次后，催化活性并没有明显下降。

    6．以FeCl₃和凹凸棒石为原料，通过水热一锅法制备了一系列具有鲜艳红色的铁红杂化颜料，考察了FeCl₃浓度和水热时间对杂化颜料结构和颜色的影响。结果表明，当FeCl₃的浓度为0.55 mol/L，水热时间为24h时，杂化颜料的红色最艳，其a*值为36.3。杂化颜料的颜色可通过反应条件进行调控，可以获得淡琥珀色、橙红色、艳红色和暗红色等色系的系列杂化颜料。颜料中含有一定量的SiO₂，可显著降低成本。杂化颜料还具有优异的耐酸、耐碱、耐有机溶剂腐蚀性和热稳定性，并且可以喷涂于不同的基材，具有普适性强的优点。