粘土矿物层间域疏水性微孔结构的形成与调控机制及其对气态分子吸附的影响

The artificial porous clay minerals was regarded as the potential adsorption materials towards to the volatile organic compounds for their excellent microporous structure. However, the adsorption ability towards weak polar or nonpolar organic molecular was strongly restricted by the polar surface of microstructure in the interlayer of clay minerals. In this application, in order to obtain the hydrophobic microporous structure, we propose that to graft the organosilane onto the Keggin or Dawson polyhydroxy metal cations that have been pre-intercalated into the interlayer of clay minerals, so the surface could be changed from hydrophilic surface to hydrophobic surface. Through the study on the microstructure and microenvironment of interlayer space, for example, the interaction between the pillars and the sheets of clay minerals, pore size distribution, and so on, we can explore the formation and regulation mechanism of hydrophobic microporous structure by the clay mineral crystal chemistry and understand the crystal structure and crystal chemistry of pillared clay minerals with hydrophobic microporous structure. Combined with gas sorption-desorption experiment and micro-calorimetric adsorption, the sorption ability and mechanism of hydrophobic microporous structure toward volatile organic compounds can be revealed. This application can be the theoretical basis of the depth of development of clay minerals materials, also it would be beneficial to the using of this kinds of material in air pollution control.

多孔化改造粘土矿物因具有优异的微观孔性结构而被视作挥发性有机物的潜在吸附材料。但强极性的微结构表面物理化学性质制约了其对非极性和弱极性有机气态分子的吸附。本申请拟从粘土晶体化学差异性入手，在合成多种类型柱撑粘土的基础上，以硅烷化嫁接等方法对预先插入粘土矿物层间的Keggin或Dawson多羟基聚合金属离子进行改造，以期在粘土矿物片层间形成疏水性多孔结构。通过对层-柱作用、孔径分布等层间微观结构和表面微环境性质的研究，探明宿主矿物晶体化学性质对多孔化粘土矿物微观结构和性质的影响和制约机制，了解疏水性多孔柱撑粘土的晶体结构和晶体化学特征。结合对气体分子的吸-脱附实验和微吸附热测量，考察层间疏水性微结构对气态有机分子吸附能力，揭示层内微结构与表面性质对气态分子吸附性能的影响及制约机制。本申请为粘土矿物材料的设计与资源的深度开发提供理论依据，并为其在大气环境污染治理中的应用奠定基础。

粘土矿物纳米层间域多孔化改造具有优异的微观孔性结构因而被视作挥发性有机物的潜在吸附材料。本研究从粘土矿物晶体化学差异性入手，通过对层-柱作用、孔径分布等层间微观结构和表面性质的研究，揭示了粘土矿物晶体化学性质对多孔化粘土微观孔性的影响和制约机制。在多孔异构蒙脱石（PHM）中无机粘土矿物的层间域是硅柱撑反应进行的主要空间，而层间域上下板层的层电荷密度对PHM结构特性的影响主要体现在孔直径和孔深度两个方向上的变化。提出了“非胶束模板”的成孔机制。在这一机制中，无机粘土矿物改变了有机模板在层间的聚集形式。由于聚合硅对层空间的挤压和占据，模板剂的烷基链聚集在一起形成聚集体。进入蒙脱石层间的正硅酸乙酯（TEOS）分子在模板剂疏水尾聚集体之间的空隙进行缩合反应，并最终形成多孔结构。通过有机挥发性气体分子吸-脱附实验，考察多孔化改造粘土层间疏水性微结构对气态有机分子吸附能力，发现PHM的结构特性和表面化学特性均对其吸附性能产生影响。揭示了层内微结构与表面性质对气态分子吸附性能的影响及制约机制。证明了制备的多种PHM不仅具有大的吸附容量，还具有高的热稳定性，是良好的VOCs吸附剂。酸处理过程也可明显优化粘土矿物的孔性结构，其对甲苯和二氯甲烷的饱和吸附容量最高分别达到156.6和119.7 mg/g，相比原土的吸附量分别提高了1.5和1.6倍。酸化蒙脱石对VOCs分子的吸附能力与比表面积、孔体积并不是线性正相关关系，还受到吸附质分子本身动力学直径大小的制约。.在合成多种类型柱撑粘土的基础上，以有机化等方法对预先插入粘土矿物层间的Keggin多羟基聚合金属离子进行改造，在粘土矿物片层间形成疏水性多孔结构。选用阳离子和两性离子型表面活性剂对Al13柱撑蒙脱石进行改性。表面活性剂的类型以及添加量对无机有机复合改性蒙脱石的结构有着重要的影响。与两性离子型表面活性剂相比，阳离子表面活性剂更易插层进入AlPMt层间。复合型柱撑改性粘土矿物对挥发性有机分子的吸附能力有待进一步考察。.本项目全面完成了基金项目任务书既定研究内容，获得了预期的成果。目前已发表标注论文14篇，其中国际SCI论文12篇，国内核心刊物1篇，国内会议论文1篇。培养硕士研究生2名，博士研究生3名。