凹凸棒石改性方法及研究进展

1. 引言

凹凸棒石是一种常见的黏土矿物，常被广泛应用于环境友好型吸附剂。近年来，使用凹凸棒石等粘土矿物处理污水得到了众多学者的广泛研究。凹凸棒石的吸附性能良好，但由于其受到晶体结构的制约，导致其在吸附方面有一定的局限性。为了更好地提高凹凸棒石的吸附性能以及其他有利性能，需要对其进行相关改性。所以如何改性得到优良的凹凸棒石复合材料吸附剂成为现阶段的研究热点。本文对凹凸棒石的常见改性方法以及现阶段研究进展加以总结论述。

2. 凹凸棒石的改性方法

天然凹凸棒石含有大量杂质，吸附能力不高、吸附选择性差，影响其性能，因此需要进行改性以提高凹凸棒石的性能。

(1)水热处理

许多研究人员报道了凹凸棒石的改性，其中水热方法反应条件温和，可以一步操作，并被广泛应用于新型材料的合成。水热方法可以通过升高温度除去凹凸棒石中的水，从而可以增大其比表面积，提高其吸附活性。

实验步骤是通过用一定量的凹凸棒石粉末与蒸馏水在常温下搅拌，然后在最适宜温度条件下加热一段时间，再冷却至室温，通过离心机进行离心分离，最后进行干燥处理。

(2)酸处理

酸处理过程中活化机制是H+离子可以交换粘土矿物中的K+、Na+、Ca[2]+、Mg[2]+、Fe[3]+，形成微孔结构和新的活性表面，可以增加物理吸附。酸处理时既想要净化凹凸棒石，又想同时保留其结构，要选择适宜的HCl浓度。实验步骤是通过凹凸棒石在一定浓度下的HCl沸点下回流一定时间，然后进行过滤，残渣用蒸馏水清洗，再用AgNO3检测无Cl-后，在一定温度下进行干燥。HCl浓度对凹凸棒石的影响见表1。

(3)热处理

凹凸棒石的许多纳米隧道平行于棒轴，可以通过热处理对凹凸棒石进行改性，通过不同温度的煅烧，可以选择性地去除结晶内隧道中不同类型的水分，从而改变孔洞结构和表面性质。因此，热处理对凹凸棒石的比表面积有影响，比表面积是判断凹凸棒石吸附能力的一个非常重要的指标。热处理后的凹凸棒石对亚甲基蓝的吸附机制主要是阳离子交换机制，而且二价离子的浸出应是影响热处理后的凹凸棒石吸附能力的主要因素。表2列出了不同温度下凹凸棒石成分和结构变化。

(4)有机改性

凹凸棒石的硅烷醇基团可以直接与有机试剂反应，和有机反应物之间形成具有共价键的化合物。有机改性后的粘土与天然粘土相比具有新的性能，凹凸棒石表面有许多负电荷。在晶格结构中，这些负电荷可交换阳离子保持平衡，因此，它可以通过离子交换反应被季铵盐等有机阳离子改性。如采用十八烷基三甲基氯化铵改性凹凸棒石，发现改性的凹凸棒石可以作为一种很好的吸附剂进行活性处理。

3. 凹凸棒黏土的研究进展

(1)凹凸棒石作为重金属废水吸附剂

活化处理是改善凹凸棒石对重金属吸附性能的有效手段。一般而言，凹凸棒石经适当处理后，可提高其吸附重金属的能力。近年来，功能化改性成为凹凸棒石吸附重金属离子研究的热点。

用3-巯基-2-丁醇对凹凸棒石进行改性。研究表明巯基功能化凹凸棒石能有效吸附水溶液中的Cd(Ⅱ)，30分钟内达到吸附平衡，并且在pH=6.7下最大吸附量为120mg/g，比原始的凹凸棒石高7.89倍。这是由于凹凸棒石上接枝-SH基团增加了活性吸附位点，提高了Cd的吸附性，促进了单齿配体和双齿配体表面复合物的形成。因此用巯基改性过后的凹凸棒石具有吸附容量大、吸附亲和力强、再生性能好等优点，可作为废水中Cd(Ⅱ)的优良吸附剂

除采用小分子功能化试剂进行改性外，采用高分子改性也是研究热点之一。

Qin等采用凹凸棒石接枝聚酰胺树枝状高分子作为吸附剂，用于去除水溶液中的Hg(II)。间歇式吸附实验结果表明，该吸附过程快速，在最佳pH值为5.0时，80分钟内去除水溶液中90%以上的Hg(II)。经过5次酸处理，再生的高分子改性凹凸棒石吸附剂最大吸附能力仍可达到90%以上。与其他吸附剂相比，仍然对水溶液中的Hg(II)具有良好的吸附性能，是一种优良的可再生吸附剂。

(2)凹凸棒石作为有机分子吸附剂

凹凸棒石作为有机分子吸附剂主要用于印染废水和苯系有机废水的处理。近年来的主要着眼点是进行改性以进一步提升吸附容量。

ATP/C复合材料去除抗生素时可作为一种可回收的吸附剂。以碳为基础的吸附剂在新兴的环境修复技术中扮演着越来越重要的角色，然而，碳基吸附剂的使用可能会遇到一些成本上的困难，因此，由粘土矿物与不同有机前驱体组装而成的新型粘土矿物/碳复合材料是近几十年来最有希望替代高成本碳基吸附剂用于废水处理的材料之一。以植物油漂白后的废漂白土为原料，经一步煅烧合成APT/C复合材料，并且研究表明，在适宜的温度下制备的APT/C复合材料具有吸附能力强、吸附平衡快的特点，并且可以进行热再生，循环再生至少10次后性能才会略有下降。

(3)凹凸棒石作为催化剂

在凹凸棒石表面负载金属氧化物可以作为反应的催化剂。Z等采用凹凸棒石负载的铜锰氧化物可以催化甲醛氧化。铜锰氧化物的结构是无定形的，在凹凸棒石的支撑下，提高了活性组分在热处理过程中对烧结的分散。负载铜锰氧化物的凹凸棒石在甲醛氧化中达到90%的二氧化碳排放量，并且通过对废催化剂煅烧温度的小幅提高，还可以进一步提高催化活性。

4. 结语

凹凸棒黏土在我国资源丰富，而且价格便宜，因此凹凸棒石越来越被广泛应用在各个领域。但由于对凹凸棒石的研究还不太成熟，导致其还不能够被大规模应用在实际生产中。且凹凸棒石属于不可再生资源，因此今后还需要对凹凸棒石在工业生产方面以及吸附性能方面深入研究，提高其资源利用率，开发高附加值的产品，使其应用到更多领域。

摘要：凹凸棒石具有广泛的工业应用价值，但是天然凹凸棒石含有大量杂质，吸附能力不高、吸附选择性差，因此需要进行改性以提高凹凸棒石的性能。本文简述了凹凸棒石的表面改性技术。总结了现阶段对改性凹凸棒石的相关研究进展。

关键词：凹凸棒石,表面改性,吸附剂

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