均质作用下氨基分子与凹凸棒石的作用机理及吸附性能研究

At present, the research about the nanostructured hybrid material based on palygorskite as absorbent is concentrated on how to enhance the sorption capacity of contaminants. Few works have been done to study deeply the structural interactions between modifier and palygorskite. But, palygorskite with nano-channels is an ideal support for preparing hybrid material. Therefore, the project designed and prepared the amino-functionalized hybrid materials by means of high-pressure homogenization process, using amino-containing molecules as guest and palygorskite as host. The action patterns of amino-containing molecules on palygorskite were discussed. A series of novel amino-functionalized hybrid materials with tailored structure were achieved by the change of the type of amino-containing species, the homogenization pressure, the dispersed medium, and so on. The forms of amino-containing species/palygorskite interactions and the evolution of structure of palygorskite were determined by various characterization techniques. The adsorption behavior of obtained amino-functionalized hybrid palygorskite as absorbent for heavy metals was also investigated to reveal the structure-property relationship. Findings of this project may open new avenues for preparation of hybrid materials based on palygorskite, and establish the theoretical basis for the efficient removal of heavy metals.

凹凸棒石纳米杂化材料吸附剂的研究目前主要集中在如何提高吸附容量上，而对改性剂与凹凸棒石结构作用关系缺少深入探讨。具有纳米孔道的凹凸棒石晶体是制备杂化材料理想的载体。为此，本项目借助高压均质过程，以凹凸棒石为主体，含氨基分子为客体，开展氨基分子功能化凹凸棒石杂化材料的制备及作用机理研究。通过调控含氨基分子类型、均质压力、分散介质等条件，制备结构可控的新型氨基化凹凸棒石杂化材料。通过各种表征手段，明确高压作用下含氨基分子与凹凸棒石的作用机理及其凹凸棒石结构的演化。通过氨基化凹凸棒石杂化材料对重金属离子吸附行为的研究，揭示结构与性能的关系，最终为制备凹凸棒石杂化材料提供新途径，为重金属离子的高效去除提供理论基础。

凹凸棒石纳米杂化材料吸附剂的研究目前主要集中在如何提高吸附容量上，而对改性剂与凹凸棒石结构作用关系缺少深入探讨。具有纳米孔道的凹凸棒石晶体是制备杂化材料理想的载体。为此，本项目借助高压均质过程，以凹凸棒石为主体，含氨基分子为客体，制得系列氨基化凹凸棒石杂化材料。借用系列表征手段，改变均质压力，煅烧和索氏萃取后处理，明确了氨基分子在凹凸棒石上的位置和作用机理，凹凸棒石的结构演化。研究了氨基化凹凸棒石杂化材料对Pb2+、Cu2+和Cs+的吸附行为，明确了结构与吸附性能的关系。结果显示：均质化过程有利于氨基分子进入凹凸棒石孔道，通过N-H和C=O基团与凹凸棒石上的O–H形成分子间氢键，形成稳定的氨基化凹凸棒石杂化材料；氨基化后凹凸棒石孔体积和比表面积显著降低；380°C煅烧后，凹凸棒石晶格和孔道结构因插入的氨基分子而保持完整，但(110)晶格间距变大。吸附实验结果显示，杂化的氨基分子的C=O和NH2基团在吸附金属离子时起了主要作用；凹凸棒石孔道及表面Si–O–基也参与吸附。凹凸棒石上杂化的甲酰胺和氨基乙酸分子越多且存在孔道，对Pb2+(58.4 mg∙g–1)和Cs+ (80 mg∙g–1)的吸附容量远大于原土的(32.2和45 mg∙g–1)。N, N–二甲基甲酰胺、N–甲基咪唑、乙二胺、乙醇胺杂化的凹凸棒石对提高Pb2+的去除率不显著。吡啶/凹凸棒石主要通过N的配位作用吸附Cu2+。本项目的实施为制备凹凸棒石杂化材料提供新途径，为提高凹凸棒石对重金属离子的去除率提供理论基础。此外，以凹凸棒石、NH2-MIL-125(Ti)和蒙脱石为基体，通过化学物理法在其表面负载金属氧化物和纳米颗粒，构筑了系列复合光催化剂。探讨了催化剂光降解有机物和光解水制氢性能与组成之间的关系。结果显示复合的基体利于催化活性组分的分散和电子-空穴的分离，使对亚甲基蓝和四环素的降解率分别由30%和35% (In2O3/Co3O4)增至99%和80%(In2O3/Co3O4@凹凸棒石)，产氢量由2.86 mmol∙g−1(g-C3N4/NiPd)增至61.3 mmol∙g−1(NH2-MIL-125(Ti)/g-C3N4/NiPd)，6.38(MoS2/NiCo)增至61.01 (MMT/MoS2/NiCo)。此工作为扩大黏土类和MOF材料在光催化领域中的应用奠定基础。