凹凸棒石對(duì)重金屬吸附鈍化的研究進(jìn)展

廖天江

（甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工學(xué)院，甘肅 天水 741025）

凹凸棒石（ATP）又稱坡縷石，是一種層鏈狀結(jié)構(gòu)的含水富鎂鋁硅酸鹽的無(wú)機(jī)非金屬黏土礦物，理論化學(xué)式為Si8MgO20(OH)2(OH2)4·4H2O。其晶體結(jié)構(gòu)中的晶胞是由兩層硅-氧四面體中間夾一層鎂（鋁）-氧（羥基）八面體構(gòu)成，屬2：1型層鏈狀硅酸鹽。凹凸棒石外觀呈棒狀、纖維狀，多為白色、灰白色、灰綠色粉體。

由于具有較大的比表面積、表面電荷和陽(yáng)離子交換能力，因而被用于制備吸附劑等功能復(fù)合材料，尤其對(duì)重金屬離子優(yōu)異的吸附能力備受關(guān)注。但是凹凸棒石原礦比表面積、陽(yáng)離子交換容量和負(fù)電荷有限，對(duì)金屬的吸附較為單一，導(dǎo)致凹凸棒石原礦的吸附性能無(wú)法滿足高效吸附的需求。因此，通過(guò)改性提高凹凸棒石的吸附性能成為研究熱點(diǎn)，本文綜述了近年來(lái)凹凸棒石改性及其吸附鈍化重金屬的研究進(jìn)展，為導(dǎo)向設(shè)計(jì)新型凹凸棒石重金屬離子鈍化吸附劑提供有效支撐。

1 凹凸棒石對(duì)重金屬離子的吸附研究

天然凹凸棒石常用于吸附去除水體中的Hg2+、Cd2+、Pb2+、Cu2+等重金屬離子，但吸附量和吸附速率有限。為提高凹凸棒石對(duì)重金屬離子的吸附性能，通常采用改性的方法，比如，酸化、堿化、熱活化和硅烷偶聯(lián)劑等處理，用于增大凹凸棒石比表面積、增加凹凸棒石表面功能基團(tuán)、去除凹凸棒石伴生雜質(zhì)和疏通孔道。研究發(fā)現(xiàn)適度的酸處理，可以改善凹凸棒石對(duì)Cu2+的交換和絡(luò)合能力，增加吸附容量，因?yàn)樘岣吡税纪拱羰年?yáng)離子交換容量、比表面積和表面Si-OH基團(tuán)數(shù)量。在水熱環(huán)境下堿活化凹凸棒石，可以在表面形成絡(luò)合能力更強(qiáng)的Si-O-基團(tuán)，將凹凸棒石及伴生礦轉(zhuǎn)變成吸附能力更強(qiáng)的硅酸鹽，顯著提升了對(duì)重金屬離子的吸附能力。天然聚合物改性凹凸棒石主要以凹凸棒石和聚合物之間的靜電吸附為主，聚合物改性凹凸棒石的主要方法是自由基聚合，通過(guò)引入聚丙烯酸提高凹凸棒石對(duì)重金屬離子的吸附容量和吸附速率。研究發(fā)現(xiàn)在凹凸棒石表面通過(guò)包覆或接枝聚合物引入有機(jī)官能團(tuán)，可顯著提高凹凸棒石對(duì)重金屬離子的吸附鈍化能力。還可以通過(guò)聚苯胺和聚吡咯等導(dǎo)電聚合物原位化學(xué)氧化聚合實(shí)現(xiàn)對(duì)凹凸棒石改性，凹凸棒石對(duì)Hg2+等金屬離子的吸附能力顯著提高。采用表面引發(fā)原子轉(zhuǎn)移自由基活性聚合提高聚合物的接枝率，和引入具有多官能團(tuán)的樹(shù)枝狀或超支化聚合物，可以進(jìn)一步提高有機(jī)官能團(tuán)數(shù)量，隨著有機(jī)官能團(tuán)數(shù)量的增加，提升凹凸棒石復(fù)合材料對(duì)重金屬離子的吸附性能。用硅烷偶聯(lián)劑與凹凸棒石表面的Si-OH基團(tuán)發(fā)生接枝反應(yīng)，改善氨基與Hg2+的絡(luò)合作用，棒晶表面通過(guò)共價(jià)鍵引入不同類型的有機(jī)基團(tuán)，顯著提高對(duì)Hg2+的吸附性能。此外，構(gòu)筑凹凸棒石/碳復(fù)合材料也是改善凹凸棒石對(duì)重金屬離子吸附性能的有效途徑。

2 凹凸棒石對(duì)放射性金屬元素的吸附研究

由于工業(yè)和軍事對(duì)核能源的巨大需求，從2007年開(kāi)始，凹凸棒石作為放射性物質(zhì)吸附和富集材料的研究備受關(guān)注，核廢料引發(fā)的環(huán)境污染也日益嚴(yán)峻。在凹凸棒石對(duì)四價(jià)釷的吸附方面，研究發(fā)現(xiàn)吸附方式與上述重金屬離子的吸附相似，通過(guò)表面化學(xué)絡(luò)合、陽(yáng)離子交換等作用進(jìn)行吸附，并且研究了pH、離子強(qiáng)度和溫度對(duì)吸附過(guò)程的影響。在凹凸棒石對(duì)六價(jià)鈾吸附方面，進(jìn)行了一系列的研究比如，通過(guò)制備一種殼聚糖包裹的凹凸棒石吸附材料，發(fā)現(xiàn)吸附方式也和上述重金屬離子的吸附相似，并且探究了pH、溫度等條件對(duì)六價(jià)鈾吸附性能的影響。還有用NaCl處理凹凸棒石對(duì)六價(jià)鈾的吸附實(shí)驗(yàn)，在不同pH下，在高pH值時(shí)，吸附主要依賴內(nèi)層表面絡(luò)合或沉淀作用，在低pH值時(shí)，吸附主要依賴離子交換和外層表面絡(luò)合作用，研究還發(fā)現(xiàn)認(rèn)為凹凸棒石吸附鈾離子屬于吸熱過(guò)程，可能與溶液中鈾離子的水合離子形式有關(guān)。為了進(jìn)一步提高凹凸棒石對(duì)放射性元素的吸附能力，各種有機(jī)改性和有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合吸附劑被相繼開(kāi)發(fā)出來(lái)，例如，用凹凸棒石復(fù)合吸附劑對(duì)U(VI)的最大吸附容量做了研究，還發(fā)現(xiàn)吸附性能不受離子強(qiáng)度影響。最近還有凹凸棒石膠體對(duì)U(VI)遷移影響的研究。

總之，凹凸棒石是一種儲(chǔ)量豐富、環(huán)境友好的天然吸附材料，受到礦物、環(huán)境、材料、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域廣泛關(guān)注。近年來(lái)，利用凹凸棒石特有的棒晶結(jié)構(gòu)和孔道結(jié)構(gòu)，“精準(zhǔn)、定向”地構(gòu)筑新型納米功能材料備受關(guān)注，相關(guān)產(chǎn)品將滿足在吸附、催化和復(fù)合材料方面功能導(dǎo)向的應(yīng)用需求。改性凹凸棒石和凹凸棒石應(yīng)用于重金屬吸附鈍化的長(zhǎng)效性還有待研究。

目前多數(shù)研究顯示，初期一些復(fù)合材料可以有效降低土壤中重金屬含量，但隨著時(shí)間的推移，重金屬離子又從復(fù)合材料中釋放出來(lái)，不能達(dá)到長(zhǎng)效吸附的作用，長(zhǎng)效復(fù)合材料的研究將是未來(lái)重金屬吸附鈍化的重點(diǎn)。