蒙脫石礦物結構特點及環境材料製備方法

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　　蒙脫石是膨潤土的主要礦物組成，具有納微米級粒徑、大比表面積、特殊的納米層間域、層間離子可交換性等物化性質，且分布廣泛、儲量豐富、價格低廉；由於類質同像置換作用，蒙脫石片層往往帶負電荷，使得其層間具有大量可交換的補償性陽離子，且蒙脫石的端面往往含有大量羥基（如矽醇基、鋁/鎂/鐵羥基），這些結構特徵決定其具有很強的表/界面反應活性，並且結構和性能易於調控，因此，蒙脫石（膨潤土）作為廉價易得、環境友好的非金屬礦物材料，廣泛應用於製備多功能環境材料。
　　
　　1、蒙脫石礦物特點
　　
　　蒙脫石是一種2:1型（TOT型）黏土礦物，屬於含水的層狀鋁矽酸鹽礦物，其結構單元層是由兩片頂角朝裡的Si-O四面體片（T層）中夾一Al-O4(OH)2八面體片（O層）組成。蒙脫石片層八面體中的Al3+常被Mg2+、Fe2+等替代，四面體中Si4+常被Al3+替代，使得蒙脫石每個單位晶胞有0.2~0.6的永久負電荷。為了平衡四面體和八面體電荷，層間存在一價或二價陽離子，如Ca2+、Na+、K+、Li+等。在pH值為7時層間可以被交換的陽離子的總量稱為陽離子交換容量（CEC）。

　　
　　由於蒙脫石片層帶負電荷，層間存在平衡電價的可交換水合陽離子，如Na＋、Ca2+、Mg2+等，它們多以水合離子形式存在，層間陽離子的水合作用導致蒙脫石具有膨脹性。根據固體酸理論，蒙脫石表面和邊緣具有布朗斯特酸（B酸）和路易斯酸（L酸）。這些結構特性為蒙脫石礦物的結構調整和表面性質的改造提供了可能。
　　
　　蒙脫石晶體顆粒較小（<2μm），顆粒通常由成百上千的結構單元層堆垛而成，單元片層之間構成的層間域就成為一個比表面積理論值達800m2/g的巨大內表面空間，且蒙脫石層間具有層間交換、層間吸附、層間聚合、層間催化以及可改造性等特性，是很多物理、化學反應的重要場所。基於這些特殊性質，蒙脫石作為來源豐富、價格低廉和環境友好的黏土礦物，常作為吸附劑用於環境汙染治理，通過離子交換和絡合作用（與端面羥基作用）吸附多種汙染物（如重金屬陽離子）。實際應用中通常對蒙脫石結構和表面性質進行加工改造，以達到最理想的吸附效果。
　　
　　2、蒙脫石環境材料構建方法
　　
　　由於結構片層表面和端面存在較強的極性基團，蒙脫石總體表現出強的親水疏油性，這使得其對弱極性和非極性有機物的吸附性能較差。
　　
　　選取適當的表面活性劑、矽烷偶聯劑，通過插層、嫁接及柱撐等表面改性處理，可將其親水性表面改造成疏水親油性表面，改變表面張力與接觸角，大大提高了其對有機汙染物的吸附性能，因此，蒙脫石可作為汙染物的吸附劑、催化劑、混凝劑等廣泛應用於環境汙染治理與修復領域。

　　
　　按照改性劑屬性，蒙脫石環境材料的構建方法大致可以分為有機改性、無機改性、無機-有機複合改性等。
　　
　　（1）有機改性蒙脫石是指利用有機分子、離子、聚合物等，通過離子鍵、共價鍵、氫鍵及範德華力與蒙脫石黏土礦物片層結合而形成的有機黏土。有機改性劑主要有陽離子表面活性劑、非離子表面活性劑、兩性表面活性劑、陽離子聚合物、有機矽烷等。
　　
　　（2）無機改性蒙脫石是指利用蒙脫石的熱性能、耐酸性、陽離子可交換性，通過加熱、酸化、無機陽離子柱撐等無機改性方法製備的無機黏土礦物。在此過程中，蒙脫石的物理化學性能發生改變，從而適應使用需求。無機改性蒙脫石主要包括熱處理、酸活化、無機柱撐和負載型蒙脫石。
　　
　　（3）無機-有機複合改性主要以表面活性劑或者有機矽烷作為有機改性劑，以聚合羥基鋁離子作為無機柱撐劑，同時改性蒙脫石，所得的有機-無機複合改性蒙脫石（IOMts）同時含有有機和無機兩種類型的活性基團，因此表現出良好的多功能吸附特性，可以同時吸附水中無機和有機汙染物，有望成為一種高效、廣譜的汙水處理和環境修復新材料。
　　
　　根據不同的構建方法，改性蒙脫石可分為熱處理蒙脫石、酸化蒙脫石、有機蒙脫石、無機柱撐蒙脫石、無機-有機複合蒙脫石等。不同的構建方法會影響改性蒙脫石的表面性質和結構特徵，進而影響其吸附性能，例如：
　　酸處理蒙脫石有較大的比表面積和陽離子交換性能，常用於吸附陽離子型汙染物；
　　有機蒙脫石表面大多呈疏水性，可以通過表面吸附和分配作用有效去除水體中的有機汙染物；
　　柱撐蒙脫石層間域含有不同的無機功能試劑，可吸附無機汙染物，也可通過催化/氧化-還原反應降解有機汙染物；
　　複合蒙脫石同時負載了有機和無機改性劑，因而擁有更豐富的汙染控制功能。
　　
　　來源：卿豔紅,蘇小麗,王鉞博,等.蒙脫石黏土礦物環境材料構建的研究進展[J].材料導報:1-20.