论文总字数：19243字

摘 要

对凹凸棒石黏土（ATP）进行酸化处理，采用硅烷偶联剂KH-550和L-精氨酸对酸改性后的凹凸棒石黏土进行氨基改性，使用XRD、FTIR、BET等手段对目标产物AK-550和L-AK-550进行了表征。研究了其对CO₂以及活性染料亚甲基蓝和甲基橙的吸附性能，初步考察了溶液pH值、反应时间等因素对染料去除率的影响。研究结果表明，AK-550和L-AK-550对CO₂的吸附量较原土有很大的提升，吸附能力提高了3倍。此外，优化了对活性染料的吸附条件：亚甲基蓝（pH = 8，t = 30 min），甲基橙（pH = 3，t = 60 min）。通过对比发现：氨基改性的凹土不利于其对阳离子型活性染料（亚甲基蓝）的吸附；有利于吸附阴离子活性染料，对甲基橙的饱和吸附量为4.33 mg/g。

关键词：凹凸棒石黏土 氨基改性 染料吸附 CO₂

The research and application of amino modified attapulgite

Abstract

The amine-modified adsorbent was obtained by modifying attapulgite with an amino-terminated organosilicon (3-aminopropyltriethoxysilane and L-arginine) after with hydrochloric acid (HCl). Surface properties of the amine-modified attapulgite (AK-550 and L-AK-550) were characterized by X-ray diffraction (XRD) and the Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The adsorption properties for carbon dioxide and reactive dyes (methylene blue and methyl orange) were investigated. The results showed that the adsorption capacity of AK-550 and L-AK-550 for carbon dioxide was greatly increased up to four times. The effect of the pH value and the reaction time on the removal rate of reactive dyes was optimized. The optimized pH value for methylene blue and methyl orange was 8 and 3 respectively. The adsorption equilibrium time for them was 30 min and 60 min. The amine-modified attapultgite was beneficial to the adsorption of anionic reactive dye but not beneficial to the adsorption of cationic reactive dye. The saturated adsorption capacity of methyl orange was up to 4.33 mg/g.

Key Words: Attapulgite clay; Amino modified; The dye adsorption; CO₂

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 凹凸棒石黏土概述 1

1.2.1 凹凸棒石黏土的晶体结构 2

1.2.2 凹凸棒土的性能及用途 3

1.3 凹凸棒土的改性 5

1.3.1 凹凸棒土的预处理 5

1.3.2 凹凸棒土的酸改性 6

1.3.2 凹凸棒土有机改性 6

1.4 本文的研究目的 7

第二章 实验部分 8

2.1 实验仪器和试剂 8

2.2 氨基化凹凸棒石黏土的制备 9

2.2.1 凹凸棒石黏土的酸化 9

2.2.2 3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）官能化凹凸棒石黏土 9

2.2.3 L-精氨酸改性凹凸棒石黏土 9

2.2.4 L-AK-550官能化凹凸棒石黏土 9

2.3 吸附性能研究 9

2.3.1 亚甲基蓝吸附实验 9

2.3.2 甲基橙吸附实验 10

2.4 表征方法和条件 10

2.4.1 X射线粉末衍射（XRD） 10

2.4.2 红外光谱（IR）分析 10

2.4.3 二氧化碳吸附 11

第三章 实验结果与讨论 12

3.1 样品表征 12

3.1.1 X射线衍射仪分析 12

3.1.2 傅里叶变换红外光谱分析 12

3.1.3 二氧化碳吸附性能 13

3.2 吸附亚甲基蓝 14

3.2.1 溶液pH对亚甲基蓝吸附的影响 14

3.2.2 吸附时间对亚甲基蓝吸附的影响 14

3.3 吸附甲基橙 15

3.3.1 溶液pH对甲基橙吸附性能的影响 15

3.3.2 吸附时间对甲基橙吸附性能的影响 16

3.4 Langmuir等温吸附模型 17

第四章 结论与展望 19

参考文献 20

致 谢 23

第一章 绪论

1.1 引言

凹凸棒石黏土是一种含水镁铝硅酸盐黏土矿物，因其独特的纤维状或棒状晶体形态和层链状晶体结构赋予其很大的比表面积，具有优异的吸附性能，在许多领域有广泛的应用^[1]，故有“千种用土，万土之王”的美誉。江苏省已探明凹凸棒石黏土矿资源储量1.03亿吨，占世界已探明凹凸棒石黏土储量的44%，占全国已探明储量的73%，远景储量达11.7亿吨。针对凹凸棒石黏土这一稀有非金属资源，研究凹凸棒石黏土的功能化方法，揭示复合材料结构与性能的关系，有效调控凹凸棒石黏土基复合材料的性能，实现其产品功能化顶层设计，是资源导向的化学工程重要研究内容^[2]，对凹凸棒石黏土研究和以凹凸棒石黏土分离材料为基础的吸附分离技术研究，都具有重要的意义。

凹凸棒石黏土基吸附材料一直是研究和开发的重点。在工业净化过程应用方面，采用热处理、酸处理提高凹凸棒石黏土活性以生产凹凸棒石黏土净化吸附材料已实现产业化。主要是油品脱色净化用吸附白土、吸附除湿用干燥剂等，但产品档次不高，附加值较低。在污染治理方面，许多文献报道了采用热处理和酸活化来增大凹凸棒石黏土的比表面积，提高其对铅、汞、镉、砷、铜等重金属离子的去除率^[3-8]；针对有机污染物的处理，一些文献研究了凹凸的有机铵盐吸附改性，以改变凹凸棒石黏土的荷电性能和亲疏水性，提高其对苯酚、染料等有机污染物的吸附^[9-11]。

近年来，为改善凹凸的吸附性能，围绕凹凸棒石黏土复合吸附材料，一些研究者采用化学接枝的方法，在凹凸棒石黏土表面引入官能团，提高凹凸棒石黏土复合材料的选择性和吸附容量。

1.2 凹凸棒石黏土概述

凹凸棒石黏土（Attapulgite Clay）是一种以凹凸棒石为主要成分的具链层状结构的含水富镁铝硅酸盐黏土矿物，在矿物学上属于海泡石族。除含凹凸棒石外，凹凸棒石黏土常含有蒙脱石、高岭石、水云母、海泡石、石英、蛋白石及碳酸盐等矿物。凹凸棒石黏土呈土状、致密块状，产生于沉积岩和风化壳中，具白色、灰白色、青灰色、灰绿色或弱丝绢光泽，土质细腻，有油腻滑感，质轻、性脆，断口呈贝壳状或参差状。凹凸棒矿物几乎遍及世界各地，但具有工业意义的矿床并不是很多，仅限于美国、中国、印度、西班牙等国。我国江苏、安徽、山东、辽宁、甘肃等地已探明许多凹凸棒矿点，产量以江苏盱眙居首位。我国凹凸棒石黏土矿资源储量完全能满足近期工业生产的需求，并且与世界其他各国相比具有较明显的优势^[12]。

1.2.1 凹凸棒石黏土的晶体结构

1940年Bradley^[13]首次提出凹凸棒土的理论化学式为Si₈Mg₅O₂₀(OH)₂(H₂O)₄·4H₂O，理论化学成分质量分数为：SiO₂ 56.96%；MgO 23.83%；H₂O 19.21%。图1-1为凹凸棒土的理想结构示意图^[14]。显然凹凸棒土中的水(包括羟基)含有四种形式，即：(1)表面吸附水；(2)孔道中的沸石水；(3)位于孔道边部且与边缘八面体阳离子结合的结晶水；(4)与八面体层中间阳离子结合的结构水。另外，凹凸棒土构成的沸石状结构中还会使得孔道中存在一定的水，通常称之为沸石水，沸石水与孔道边缘的铝(或镁、铁)形成键，使之稳定存在于凹凸棒土结构内部。但实际的凹凸棒石晶体化学式与理论化学式存在一定的差异，1969年Christ等^[15]进一步验证了Bradley的结构模型并提出了更为合理的晶体化学式：

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