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蒙脱石矿物结构特点及环境材料制备方法

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蒙脱石矿物结构特点及环境材料制备方法

2020-09-15

蒙脱石是膨润土的主要矿物组成,具有纳微米级粒径、大比表面积、特殊的纳米层间域、层间离子可交换性等物化性质,且分布广泛、储量丰富、价格低廉;由于类质同像置换作用,蒙脱石片层往往带负电荷,使得其层间具有大量可交换的补偿性阳离子,且蒙脱石的端面往往含有大量羟基(如硅醇基、铝/镁/铁羟基),这些结构特征决定其具有很强的表/界面反应活性,并且结构和性能易于调控,因此,内蒙古蒙脱石(膨润土)作为廉价易得、环境友好的非金属矿物材料,广泛应用于制备多功能环境材料。


1、蒙脱石矿物特点


蒙脱石是一种2:1型(TOT型)黏土矿物,属于含水的层状铝硅酸盐矿物,其结构单元层是由两片顶角朝里的Si-O四面体片(T层)中夹一Al-O4(OH)2八面体片(O层)组成。蒙脱石片层八面体中的Al3+常被Mg2+、Fe2+等替代,四面体中Si4+常被Al3+替代,使得蒙脱石每个单位晶胞有0.2~0.6的长久负电荷。为了平衡四面体和八面体电荷,层间存在一价或二价阳离子,如Ca2+、Na+、K+、Li+等。在pH值为7时层间可以被交换的阳离子的总量称为阳离子交换容量(CEC)。


由于蒙脱石片层带负电荷,层间存在平衡电价的可交换水合阳离子,如Na+、Ca2+、Mg2+等,它们多以水合离子形式存在,层间阳离子的水合作用导致蒙脱石具有膨胀性。根据固体酸理论,蒙脱石表面和边缘具有布朗斯特酸(B酸)和路易斯酸(L酸)。这些结构特性为蒙脱石矿物的结构调整和表面性质的改造提供了可能。


蒙脱石


蒙脱石晶体颗粒较小(<2μm),颗粒通常由成百上千的结构单元层堆垛而成,单元片层之间构成的层间域就成为一个比表面积理论值达800m2/g的巨大内表面空间,且蒙脱石层间具有层间交换、层间吸附、层间聚合、层间催化以及可改造性等特性,是很多物理、化学反应的重要场所。基于这些特殊性质,蒙脱石作为来源丰富、价格低廉和环境友好的黏土矿物,常作为吸附剂用于环境污染治理,通过离子交换和络合作用(与端面羟基作用)吸附多种污染物(如重金属阳离子)。实际应用中通常对蒙脱石结构和表面性质进行加工改造,以达到理想的吸附效果。


2、蒙脱石环境材料构建方法


由于结构片层表面和端面存在较强的极性基团,蒙脱石总体表现出强的亲水疏油性,这使得其对弱极性和非极性有机物的吸附性能较差。


选取适当的表面活性剂、硅烷偶联剂,通过插层、嫁接及柱撑等表面改性处理,可将其亲水性表面改造成疏水亲油性表面,改变表面张力与接触角,大大提高了其对有机污染物的吸附性能,因此,蒙脱石可作为污染物的吸附剂、催化剂、混凝剂等广泛应用于环境污染治理与修复领域。


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