凹凸棒石對重金屬吸附鈍化的研究進展

廖天江

（甘肅工業職業技術學院化工學院，甘肅 天水 741025）

凹凸棒石（ATP）又稱坡縷石，是一種層鏈狀結構的含水富鎂鋁硅酸鹽的無機非金屬黏土礦物，理論化學式為Si8MgO20(OH)2(OH2)4·4H2O。其晶體結構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、表面電荷和陽離子交換能力，因而被用于制備吸附劑等功能復合材料，尤其對重金屬離子優異的吸附能力備受關注。但是凹凸棒石原礦比表面積、陽離子交換容量和負電荷有限，對金屬的吸附較為單一，導致凹凸棒石原礦的吸附性能無法滿足高效吸附的需求。因此，通過改性提高凹凸棒石的吸附性能成為研究熱點，本文綜述了近年來凹凸棒石改性及其吸附鈍化重金屬的研究進展，為導向設計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、去除凹凸棒石伴生雜質和疏通孔道。研究發現適度的酸處理，可以改善凹凸棒石對Cu2+的交換和絡合能力，增加吸附容量，因為提高了凹凸棒石的陽離子交換容量、比表面積和表面Si-OH基團數量。在水熱環境下堿活化凹凸棒石，可以在表面形成絡合能力更強的Si-O-基團，將凹凸棒石及伴生礦轉變成吸附能力更強的硅酸鹽，顯著提升了對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，通過引入聚丙烯酸提高凹凸棒石對重金屬離子的吸附容量和吸附速率。研究發現在凹凸棒石表面通過包覆或接枝聚合物引入有機官能團，可顯著提高凹凸棒石對重金屬離子的吸附鈍化能力。還可以通過聚苯胺和聚吡咯等導電聚合物原位化學氧化聚合實現對凹凸棒石改性，凹凸棒石對Hg2+等金屬離子的吸附能力顯著提高。采用表面引發原子轉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的樹枝狀或超支化聚合物，可以進一步提高有機官能團數量，隨著有機官能團數量的增加，提升凹凸棒石復合材料對重金屬離子的吸附性能。用硅烷偶聯劑與凹凸棒石表面的Si-OH基團發生接枝反應，改善氨基與Hg2+的絡合作用，棒晶表面通過共價鍵引入不同類型的有機基團，顯著提高對Hg2+的吸附性能。此外，構筑凹凸棒石/碳復合材料也是改善凹凸棒石對重金屬離子吸附性能的有效途徑。

2 凹凸棒石對放射性金屬元素的吸附研究

由于工業和軍事對核能源的巨大需求，從2007年開始，凹凸棒石作為放射性物質吸附和富集材料的研究備受關注，核廢料引發的環境污染也日益嚴峻。在凹凸棒石對四價釷的吸附方面，研究發現吸附方式與上述重金屬離子的吸附相似，通過表面化學絡合、陽離子交換等作用進行吸附，并且研究了pH、離子強度和溫度對吸附過程的影響。在凹凸棒石對六價鈾吸附方面，進行了一系列的研究比如，通過制備一種殼聚糖包裹的凹凸棒石吸附材料，發現吸附方式也和上述重金屬離子的吸附相似，并且探究了pH、溫度等條件對六價鈾吸附性能的影響。還有用NaCl處理凹凸棒石對六價鈾的吸附實驗，在不同pH下，在高pH值時，吸附主要依賴內層表面絡合或沉淀作用，在低pH值時，吸附主要依賴離子交換和外層表面絡合作用，研究還發現認為凹凸棒石吸附鈾離子屬于吸熱過程，可能與溶液中鈾離子的水合離子形式有關。為了進一步提高凹凸棒石對放射性元素的吸附能力，各種有機改性和有機-無機復合吸附劑被相繼開發出來，例如，用凹凸棒石復合吸附劑對U(VI)的最大吸附容量做了研究，還發現吸附性能不受離子強度影響。最近還有凹凸棒石膠體對U(VI)遷移影響的研究。

總之，凹凸棒石是一種儲量豐富、環境友好的天然吸附材料，受到礦物、環境、材料、化學等多個學科領域廣泛關注。近年來，利用凹凸棒石特有的棒晶結構和孔道結構，“精準、定向”地構筑新型納米功能材料備受關注，相關產品將滿足在吸附、催化和復合材料方面功能導向的應用需求。改性凹凸棒石和凹凸棒石應用于重金屬吸附鈍化的長效性還有待研究。

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