1凹凸棒土及其改性研究

1.1凹凸棒土的发现

粘土矿物是以含铝、镁等元素为主的一类硅酸盐矿物，主要有凹凸棒土、膨润土、蒙脱石和伊利石等矿物种类。粘土矿物因具有独特的层状结构而表现出良好的吸附和离子交换性能，且其储量大、价格低，对环境无污染，是去除污染水体中多种污染物较为理想的低成本吸附剂之一^[1~2]。其中，凹凸棒土早在上世纪就已经被人发现。1940年Bradley首先阐明了它的结构（如图1所示），即凹凸棒土每个2:1结构单元层中，四面体片的角顶每隔一定周期作180#176;翻转，构成平行于x轴的链条及通道。即两层硅氧四面体间夹了一层镁铝氧八面体，四面体条带之间形成了与链平行的被水分子填充的通道。由于晶体结构中存在晶体孔道，内表面积较大，因而具有很强的物理吸附性能^[3]。广泛应用于化工、轻工、农业、纺织、建材、地质勘探、铸造、硅酸盐工业、原子能工业、环保及制药等领域。1976年我国学者许冀泉将其译成凹凸棒土，近年来在国内传用。

图1 凹凸棒土的结构示意图

1.2凹凸棒土的改性研究

凹凸棒石矿品味低，杂质含量高，杂质的存在削弱凹凸棒石原有性能。比如影响其吸附性、胶体性和脱色性等，无法达到良好的效果。为了提高凹凸棒石粘土的质量，满足工业要求，在使用前需对其进行预处理及改性处理。到目前为止，主要的改性方法有以下三种：

（1）酸改性（又称为无机改性法）。即通过加入无机酸在溶液中形成足量的H ，置换凹凸棒土层间的K 、 Na 、 Ca² 、 Mg² 等，造成孔容积增大，并削弱原来层间的键力，进而疏通孔道，使凹凸棒石比表面积增加，从而提高吸附性能。一般而言，凹凸棒土的比表面积随酸处理浓度的增加而增加^[4]。

（2）有机改性。此法一般采用有机表面活性剂作为改性剂，用长碳链有机阳离子取代凹凸棒石间无机阳离子，使层间距扩大，晶格内外部分结晶水、吸附水被有机物取代，从而改善疏水性，增强吸附有机物的能力^[5~6]。目前有机改性法主要包括传统搅拌法和超声波法。包军杰等采用传统搅拌法，用十六烷基三甲基溴化铵和溴代十六烷基吡啶等有机阳离子剂作为改性剂，对凹凸棒石表面进行改性，结果表明改性后的凹凸棒石能大大提高对苯酚的吸附率^[7]。

（3）热处理。即将凹凸棒土在一定温度下煅烧，使凹凸棒石变得疏松多孔，孔隙容积和比表面积大大增加，从而增强吸附性能。相关研究表明，一般凹凸棒石粘土的活化温度不宜超过500℃，选择300℃左右为宜，活化时间不应超过3h ^[8~10]。热活化常见的有常规热活化和微波热活化两种方式。此外，为了提高改性效果，也可以同时使用酸改性和热处理方法。宋宁宁等通过正交实验，确定优化改性凹凸棒石颗粒制备的工艺条件是：对凹凸棒石粉用4%的盐酸活化2 h，质量分数为3%的玻璃粉和质量分数为4%的淀粉溶解后与粉体一起制粒，于450℃温度下焙烧40min，添加质量分数为6%的十六烷基三甲基溴化铵改性制成^[11]。

1.3粉体凹凸棒土吸附剂的缺陷