ZnO/鋰皂石復合材料的制備和吸附性能研究

馬健巖，許 峰，徐東明

(沈陽建筑大學材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110168)

1 引言

硅酸鎂鋰，即鋰皂石，是一種人工合成的三八面體層狀膠體材料，在水體系中具極強的成膠性能，具有優異的觸變性、分散性、懸浮性和增稠性[1]。鋰皂石加入水中，能很快膨脹，形成包含大量水網絡結構的凝膠，具有較好的觸變性、分散性、懸浮性和增稠性以及優異的吸附性和離子交換性[2-8]。本文采用鋰皂石與氧化鋅復合的方法來提高吸附效率，改善復合材料的吸附性能。采用掃描電鏡，紅外光譜等分析手段對氧化鋅/鋰皂石復合材料進行表征，以亞甲基藍為模擬有機污染物，對氧化性/鋰皂石復合材料的吸附性能進行研究，探討了不同因素對吸附效果的影響，并深入研究吸附動力學等問題。

2 實驗

2.1 實驗原料

六水合硝酸鋅，碳酸鈉，鋰皂石，亞甲基藍均為分析純化學試劑。

2.2 ZnO/鋰皂石復合材料的制備

室溫下，將硝酸鋅溶液緩慢滴加至等濃度加有一定量鋰皂石的碳酸鋅溶液中，充分攪拌1h，形成均勻的白色絮狀物；用蒸餾水清洗三次，干燥研磨300℃焙燒。

2.3 ZnO/硅藻土復合材料的表征

2.3.1 X射線衍射(XRD)

樣品的晶相結構的表征采用德國Bruker D8 Advance型X射線衍射分析儀(Cu Kα射線，λ=0.15406nm，電壓40kV，電流40mA，石墨單單色器，掃描速率4°/min)。掃描范圍10°～70°。

2.3.2 掃描電鏡(SEM)

實驗中采用的掃描電鏡為日立S4800場發射掃描電鏡。

2.3.3 紅外光譜(IR)

美國Perkin Elmer Spectrum One紅外光譜儀，溴化鉀壓片。

2.4 亞甲基藍溶液的吸附實驗

取一定量的吸附劑分散到預定濃度的亞甲基藍溶液中,攪拌一定時間,抽濾,測濾液的吸光度。 精確稱取 0.05 g干燥的氧化鋅/鋰皂石復合材料放入具塞燒杯中,分別加入 50 mL10mg/L亞甲基藍溶液,在室溫下電磁攪拌,達吸附平衡后,離心過濾并取上清液,用分光光度計在 664 nm 處測定溶液的吸光度。

3 結果與討論

3.1 氧化鋅/鋰皂石復合材料的制備

氧化鋅的XRD圖見圖1。氧化鋅的XRD圖與標注圖譜JCPDS卡片5-0664一致，說明通過直接沉淀法制得了ZnO，屬六方晶系。

圖1 氧化鋅的XRD圖

氧化鋅/鋰皂石復合材料的掃描電鏡圖見圖2。 由圖2(a)可以看出鋰皂石表面結構為片層狀但比較致密。由圖2(b)可以看出氧化鋅粒子團聚較為嚴重，這種團聚結構影響其比表面積和吸附效率。圖2(c)為鋰皂石負載ZnO的表面形貌。從圖中可以發現氧化鋅復合鋰皂石后片層結構的層面更豐富，復合材料具有更大的比表面積。

氧化鋅/鋰皂石復合材料的紅外光譜圖見圖3。由圖3(a)看出在氧化鋅的紅外光譜曲線，a曲線中未出現堿式碳酸鋅的特征吸收峰， 478cm-1處是氧化鋅的本征晶格吸收峰。圖3(b)1010 cm-1處吸收峰歸屬于鋰皂石的硅氧四面體[SiO4]的Si-O伸縮振動，該峰為鋰皂石的要特征之一，反映了鋰皂石層狀結構和層間區域完整程度。1028cm-1對應Li-OH 的伸縮振動；675cm-1對應Li-O 的伸縮振動；654 cm-1處的吸收峰是鎂皂石的獨特吸收峰，歸屬于Mg-O-Mg的彎曲振動；465 cm-1處的吸收峰則是歸屬于Si-O-Mg的變形振動。 在(c)曲線中可以看出用鋰皂石表面修飾后的復合材料在1457cm-1處出現一個Zn-O鍵的振動吸收峰，在1010 cm-1處的吸收峰是歸屬于鋰皂石的硅氧四面體[SiO4]的Si-O伸縮振動，證明氧化鋅已與鋰皂石發生反應并且復合。

(a) 純氧化鋅；(b) 純鋰皂石；(c) 氧化鋅/鋰皂石復合材料

3.2 吸附性能研究

從圖4中可以看出，氧化鋅對亞甲基藍沒有吸附效果，鋰皂石對亞甲基藍具有一定吸附效果，但30 min吸附平衡時，溶液中亞甲基藍的濃度在9mg/L ,吸附效率較低。當吸附物質為氧化鋅與鋰皂石的復合材料時，經過30 min的吸附，溶液的吸光度幾乎均降至零左右，吸附效果好于純氧化鋅與鋰皂石。這一結果表明氧化鋅與鋰皂石復合后，改變了兩者的表面物理性質，增加對亞甲基藍的吸附性能，原因待進一步實驗探索。含30%ZnO的復合材料吸附性能最佳。

3.3 吸附動力學研究

不同比例實驗樣品對亞甲基藍溶液的吸附是動力學一級反應，其動力學也可以以下面的公式表示：

ln(C0/Ct)=kt

(1)

其中k是表觀速率常數，它與t成線性關系，通過對時間t的線性方程可以計算出k值的大小。經計算得到kZnO=0，k鋰皂石=1.88×10-2，kZnO/鋰皂石(30%ZnO) = 16.4×10-2，可以看出經過鋰皂石表面改性的氧化鋅樣品的表觀速率常數明顯大于氧化鋅及鋰皂石。

(a) 純氧化鋅； (b) 鋰皂石；(c) 氧化鋅/鋰皂石復合材料(含氧化鋅10%)；(d) 氧化鋅/鋰皂石復合材料(含氧化鋅40%)；(e)氧化鋅/鋰皂石復合材料(含氧化鋅20%)；(f) 氧化鋅/鋰皂石復合材料(含氧化鋅30%)

4 結論

(1)通過直接沉淀法制備了ZnO/鋰皂石復合材料。通過掃描電鏡、紅外光譜和XRD證明，復合材料中氧化鋅的晶型沒有發生改變，復合材料中氧化鋅分布均勻，沒有團聚。

(2)復合材料對亞甲基藍的吸附效果好于純氧化鋅與鋰皂石，相關機理需進一步探索。