蛭石基功能吸附材料特點及製備技術

環境汙染影響人類的健康和生活質量，水體汙染是主要源頭之一。吸附是一種簡單有效的水處理方法。

鑑於活性炭成本高與再生困難等缺點，天然蛭石是典型的矽鋁酸鹽黏土，具有資源豐富、價廉易得、親水、層板帶負電荷、多級結構和物理化學效能穩定等優勢，蛭石基吸附材料是蛭石應用於環境領域的重要功能材料，可有效去除水中的氨氮、重金屬元素、磷酸鹽、氟離子、稀土離子、有機物等汙染物。

1、蛭石為什麼能吸附汙染物？

蛭石結構模型示意圖

蛭石基吸附材料的吸附機理主要包括以下幾個方面：

（1）基於層板帶電荷，在帶負電的表面上透過正負電的吸引來進行吸附；

（2）透過離子交換方式，進行各種金屬離子的吸附分離；

（3）有機改性蛭石透過相似相容原理與待吸附物進行吸附；

（4）表面形貌，比如透過蛭石表面的多孔和層板邊緣的稜角等進行吸附；

（5）其他協同作用，比如蛭石的強吸水性，蛭石片的大小和膨脹效能等。

這裡必須指出，進行蛭石吸附機理的研究時，蛭石顆粒的大小必須限定，得出的機理才有實際意義。

2、蛭石基功能吸附材料製備

蛭石具有較大的比表面積和可交換的層間離子，經結構修飾後，其吸附或離子交換效能更強，改性蛭石被廣泛用於去除工業廢水中陽離子染料和農藥中除草劑等，同時也被用作生活用水的淨水劑和處理劑。

蛭石改性可以從以下幾個方面入手：

透過鹼和酸改性蛭石，可以明顯提高陽離子的亞甲基藍和還原紅B吸附；

透過有機改性實現親水到疏水和負電到正電的轉換，使蛭石吸附效能和應用潛能顯著提高。透過二巰基丙醇和腐蝕酸改性蛭石，可使其具有巰基和羥基功能基團，提高蛭石對Hg2+和鄰苯二甲酸酯的吸附量。

透過殼聚糖改性製備改性蛭石，其對As3+的最大吸附量可達72。2mg/g。

透過氧化錳改性製備金屬氧化物改性蛭石，其對Ag+的最大吸附量為69。2mg/g。

同時，研究發現，酸鹼性和溫度對蛭石吸附金屬陽離子容量具有顯著影響，吸附量隨鹼性增加而增加，隨溫度增加有所降低；透過長碳鏈烷基有機改性，可以顯著提高蛭石層間距（2-5nm）和改變層間分子結構構型。

3、蛭石基複合功能吸附材料製備

離子交換和改性是製備蛭石新型功能材料的有效方法，但是被交換和改性的離子或有機物容易脫落，表現出結構不穩定等劣勢。

（1）蛭石與水滑石複合材料

由於蛭石是陰離子黏土，只能吸附陽離子，難以吸附陰離子，嚴重限制了其在水處理和工業等領域的應用。

眾所周知，水滑石（LDHs）是典型的陽離子黏土，恰好與蛭石相反，Tian等人採用原位合成的方法，在多級結構膨脹蛭石層間，原位生長不同尺寸結構的MgAl-LDHs薄膜，構建了3D多級結構功能材料。

蛭石（a），MgAg水滑石與蛭石的複合材料（MgAl-LDHs/蛭石）的SEM圖（b-側面SEM圖；c-蛭石層板上負載MgAl-LDHs的SEM圖），蛭石表面矽氧四面體晶體結構圖（d），和方向MgAl-LDHs生長機理（e，f）

從上圖可看出，蛭石的層板是非常光滑的，MgAl-LDHs以原位生長的方式在蛭石表面形成一層水滑石薄膜，並且可以深入膨脹蛭石內部。MgAl-LDHs透過晶格匹配方式，以傾斜方向在蛭石表面生長。採用製備的MgAl-LDHs/蛭石複合材料對水體中六價鉻離子的吸附效能進行了研究，與純MgAl-LDHs相比，其吸附量大約提高28%，且迴圈效能明顯提高。

（2）蛭石和碳奈米管複合材料

蛭石是典型的無機材料，碳奈米管（CNTs）是典型的有機碳材料。並且CNTs被認為是最通用的奈米功能材料。如果能把碳奈米管與蛭石相結合，蛭石的效能將會顯著改善。

Tian等人採用原位生長的方法，利用鐵作催化劑，在膨脹蛭石層間，原位生長CNTs陣列，直接構建了漢堡式蛭石/CNTs多級結構複合材料，透過插層生長CNTs，膨脹蛭石體積可以膨脹到20~30倍，長度可以達到6cm。

蛭石（VMT）/碳奈米管複合材料製備機理圖（a）、蛭石數字照片（b）、蛭石/碳奈米管複合材料SEM圖（c，d）

蛭石（VMT）/碳奈米管複合材料可以直接用作吸附劑，對亞甲基藍的清除率達到98%，效能明顯高於同顆粒大小的活性炭。該方法制備的材料在擴大蛭石應用範圍中表現出巨大優勢。