凹凸棒石对重金属吸附钝化的研究进展

廖天江

（甘肃工业职业技术学院化工学院，甘肃 天水 741025）

凹凸棒石（ATP）又称坡缕石，是一种层链状结构的含水富镁铝硅酸盐的无机非金属黏土矿物，理论化学式为Si8MgO20(OH)2(OH2)4·4H2O。其晶体结构中的晶胞是由两层硅-氧四面体中间夹一层镁（铝）-氧（羟基）八面体构成，属2：1型层链状硅酸盐。凹凸棒石外观呈棒状、纤维状，多为白色、灰白色、灰绿色粉体。

由于具有较大的比表面积、表面电荷和阳离子交换能力，因而被用于制备吸附剂等功能复合材料，尤其对重金属离子优异的吸附能力备受关注。但是凹凸棒石原矿比表面积、阳离子交换容量和负电荷有限，对金属的吸附较为单一，导致凹凸棒石原矿的吸附性能无法满足高效吸附的需求。因此，通过改性提高凹凸棒石的吸附性能成为研究热点，本文综述了近年来凹凸棒石改性及其吸附钝化重金属的研究进展，为导向设计新型凹凸棒石重金属离子钝化吸附剂提供有效支撑。

1 凹凸棒石对重金属离子的吸附研究

天然凹凸棒石常用于吸附去除水体中的Hg2+、Cd2+、Pb2+、Cu2+等重金属离子，但吸附量和吸附速率有限。为提高凹凸棒石对重金属离子的吸附性能，通常采用改性的方法，比如，酸化、碱化、热活化和硅烷偶联剂等处理，用于增大凹凸棒石比表面积、增加凹凸棒石表面功能基团、去除凹凸棒石伴生杂质和疏通孔道。研究发现适度的酸处理，可以改善凹凸棒石对Cu2+的交换和络合能力，增加吸附容量，因为提高了凹凸棒石的阳离子交换容量、比表面积和表面Si-OH基团数量。在水热环境下碱活化凹凸棒石，可以在表面形成络合能力更强的Si-O-基团，将凹凸棒石及伴生矿转变成吸附能力更强的硅酸盐，显著提升了对重金属离子的吸附能力。天然聚合物改性凹凸棒石主要以凹凸棒石和聚合物之间的静电吸附为主，聚合物改性凹凸棒石的主要方法是自由基聚合，通过引入聚丙烯酸提高凹凸棒石对重金属离子的吸附容量和吸附速率。研究发现在凹凸棒石表面通过包覆或接枝聚合物引入有机官能团，可显著提高凹凸棒石对重金属离子的吸附钝化能力。还可以通过聚苯胺和聚吡咯等导电聚合物原位化学氧化聚合实现对凹凸棒石改性，凹凸棒石对Hg2+等金属离子的吸附能力显著提高。采用表面引发原子转移自由基活性聚合提高聚合物的接枝率，和引入具有多官能团的树枝状或超支化聚合物，可以进一步提高有机官能团数量，随着有机官能团数量的增加，提升凹凸棒石复合材料对重金属离子的吸附性能。用硅烷偶联剂与凹凸棒石表面的Si-OH基团发生接枝反应，改善氨基与Hg2+的络合作用，棒晶表面通过共价键引入不同类型的有机基团，显著提高对Hg2+的吸附性能。此外，构筑凹凸棒石/碳复合材料也是改善凹凸棒石对重金属离子吸附性能的有效途径。

2 凹凸棒石对放射性金属元素的吸附研究

由于工业和军事对核能源的巨大需求，从2007年开始，凹凸棒石作为放射性物质吸附和富集材料的研究备受关注，核废料引发的环境污染也日益严峻。在凹凸棒石对四价钍的吸附方面，研究发现吸附方式与上述重金属离子的吸附相似，通过表面化学络合、阳离子交换等作用进行吸附，并且研究了pH、离子强度和温度对吸附过程的影响。在凹凸棒石对六价铀吸附方面，进行了一系列的研究比如，通过制备一种壳聚糖包裹的凹凸棒石吸附材料，发现吸附方式也和上述重金属离子的吸附相似，并且探究了pH、温度等条件对六价铀吸附性能的影响。还有用NaCl处理凹凸棒石对六价铀的吸附实验，在不同pH下，在高pH值时，吸附主要依赖内层表面络合或沉淀作用，在低pH值时，吸附主要依赖离子交换和外层表面络合作用，研究还发现认为凹凸棒石吸附铀离子属于吸热过程，可能与溶液中铀离子的水合离子形式有关。为了进一步提高凹凸棒石对放射性元素的吸附能力，各种有机改性和有机-无机复合吸附剂被相继开发出来，例如，用凹凸棒石复合吸附剂对U(VI)的最大吸附容量做了研究，还发现吸附性能不受离子强度影响。最近还有凹凸棒石胶体对U(VI)迁移影响的研究。

总之，凹凸棒石是一种储量丰富、环境友好的天然吸附材料，受到矿物、环境、材料、化学等多个学科领域广泛关注。近年来，利用凹凸棒石特有的棒晶结构和孔道结构，“精准、定向”地构筑新型纳米功能材料备受关注，相关产品将满足在吸附、催化和复合材料方面功能导向的应用需求。改性凹凸棒石和凹凸棒石应用于重金属吸附钝化的长效性还有待研究。

目前多数研究显示，初期一些复合材料可以有效降低土壤中重金属含量，但随着时间的推移，重金属离子又从复合材料中释放出来，不能达到长效吸附的作用，长效复合材料的研究将是未来重金属吸附钝化的重点。