科研進(jìn)展
蘭州化物所凹凸棒石基功能吸附材料研究獲新進(jìn)展
多孔材料具有吸附容量大、吸附速率高、易分離和再生等特點(diǎn)，近年來在水體污染治理、選擇性分離和富集等方面受到高度關(guān)注。但傳統(tǒng)多孔吸附材料制備需要惰性氣氛保護(hù)、加熱聚合、預(yù)烘干、造粒、烘干等步驟，過程復(fù)雜且能耗較高，成為制約多孔吸附材料規(guī)?；瘧?yīng)用的難題之一。針對日益復(fù)雜和多樣化廢水處理以及稀貴金屬離子的精準(zhǔn)分離對多功能吸附材料的需求，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所甘肅省黏土礦物重點(diǎn)實(shí)驗室在黏土礦物基功能吸附材料研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展。
凹凸棒石具有獨(dú)特的一維形貌、規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，團(tuán)隊采用水溶液分散聚合一步法構(gòu)筑了粒狀系列有機(jī)/無機(jī)復(fù)合吸附材料，利用表面活性劑協(xié)同功能化黏土礦物穩(wěn)定的乳液模板，發(fā)展了系列多級孔結(jié)構(gòu)的粒狀吸附材料（ J. Environ. Sci., 2020, 88, 217.），實(shí)現(xiàn)了對陽離子染料的高效去除（ Chemosphere, 2020, 259, 126949.）、稀土離子有效分離（ Front. Chem., 2020, 8, 398.）和稀散元素高效富集（ J. Clean. Pro., 2020, 277, 124092.）。然而制備過程中合成表面活性劑的二次污染問題仍沒有解決。
天然植物中表面活性物質(zhì)具有毒性低和易生物降解等優(yōu)點(diǎn)。五倍子含有的單寧和皂苷具有類表面活性劑性質(zhì)。研究人員采用凹凸棒石和五倍子協(xié)同穩(wěn)定 Pickering泡沫為模板（圖 1），構(gòu)筑的多孔吸附材料對燦爛綠和金霉素吸附容量分別達(dá)到 940 mg/g和466 mg/g（ Mater. Today Sustain., 2023, 21, 100315）。此外，以黃芪協(xié)同凹凸棒石穩(wěn)定水基泡沫構(gòu)筑的多孔材料對甲基紫和亞甲基藍(lán)吸附容量分別達(dá)到 709 mg/g和703 mg/g（圖 2）（ J. Environ. Sci., 2023, 127, 855-865.）。
圖 1 凹凸棒石和五倍子協(xié)同穩(wěn)定Pickering泡沫構(gòu)筑多孔吸附材料
圖 2 凹凸棒石和黃芪協(xié)同穩(wěn)定Pickering泡沫構(gòu)筑多孔吸附材料
在穩(wěn)定兩相不相容界面研究中，黏土礦物穩(wěn)定 Pickering泡沫中晶體結(jié)構(gòu)影響往往被忽略。研究人員開展了無患子和草酸溶蝕不同時間凹凸棒石對穩(wěn)定泡沫影響規(guī)律的研究。隨著酸蝕時間的增加，無患子改性后凹凸棒石接觸角逐漸增大，從連續(xù)相轉(zhuǎn)移到 Pickering泡沫的空氣-水界面（圖 3）。當(dāng)凹凸棒石晶體結(jié)構(gòu)較完整時，多孔材料對低濃度染料具有優(yōu)異的去除率，隨著酸蝕時間增加對高濃度染料具有吸附優(yōu)勢，最大吸附量為 953mg/g。該研究為認(rèn)知黏土礦物結(jié)構(gòu)缺陷對 Pickering泡沫穩(wěn)定性及其多孔材料的可控構(gòu)筑提供了新認(rèn)識（ Chem. Eng. J., 2023, 474, 145942.）。
圖 3 凹凸棒石結(jié)構(gòu)演化對多孔吸附材料性能影響
在吸附材料研究過程中，再生應(yīng)用一直是“被”研究的問題，但脫附液怎么處置基本上“秘而不談”，很少涉及資源化再利用。無患子為天然非離子型表面活性劑，溶出物質(zhì)對凹凸棒石改性后在連續(xù)相中形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，顯著提高了泡沫的穩(wěn)定性，制備的多孔材料對四環(huán)素和氯霉素吸附量分別達(dá)到 620mg/g和538mg/g（ J. Clean. Prod., 2023, 416, 137757.）。將吸附有機(jī)物的復(fù)合材料，在 400 C無氧炭化得到的凹凸棒石生物炭對 Cd2+具有良好的“固定”作用，用于土壤修復(fù)可促進(jìn)植物生長（圖 4）。
近期，研究人員進(jìn)一步利用黨參和凹凸棒石協(xié)同穩(wěn)定制備的多孔材料對陽離子染料甲基紫和亞甲基藍(lán)的吸附量分別可達(dá)到 756 mg/g和558 mg/g。廢吸附劑經(jīng)碳化工藝再加入盆栽試驗中（圖 5），總生物量可提高 86.42%（ J. Environ. Sci., 2024, 137, 395-406.），同時對土壤鹽堿有一定的抑制作用。該策略踐行了黏土礦物“源于自然、用于自然、融于自然”的可持續(xù)發(fā)展理念，為吸附材料與環(huán)境可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展及鹽堿地改良提供了應(yīng)用支撐。
圖 4 凹凸棒石和無患子協(xié)同穩(wěn)定水基泡沫構(gòu)筑多孔吸附材料及其礦物生物炭用于土壤修復(fù)
圖 5 凹凸棒石和黨參協(xié)同穩(wěn)定水基泡沫構(gòu)筑多孔吸附材料及其礦物生物炭用于植物生長
上述工作得到了國家自然科學(xué)基金、甘肅省自然科學(xué)基金、甘肅省優(yōu)秀博士生和甘肅省基礎(chǔ)研究創(chuàng)新群體等項目的支持。
