黏士的物化性質(zhì)和制備方法

時間：2023-03-24 15:23:58來源：food欄目：食品快速檢測閱讀：

黏士的物化性質(zhì)和制備方法

[db:作者] / 2023-01-03 00:00

黏士

[物化性質(zhì)]黏土礦物是指粒徑小于2μm的含水層狀硅酸鹽礦物，主要包括伊利石族、蛭石族、高嶺石族、蒙皂石族、坡縷石族等礦物。層狀硅酸鹽礦物具有四面體片和八面體片組成的晶體結(jié)構(gòu)。由一個四面體片和一個八面體片組成的結(jié)構(gòu)單元層稱為1：1型(TO型)，如高嶺石、埃洛石和蛇紋石等；由兩個四面體片夾一個八面體片組成的結(jié)構(gòu)單元層稱為2：1型(TOT)型，如葉蠟石、云母、蛭石等。另外，還有間層(混層)結(jié)構(gòu)，如累托石等。結(jié)構(gòu)單元層在垂直網(wǎng)片方向周期性地重復疊置構(gòu)成礦物的空間格架，而在結(jié)構(gòu)單元層之間存在著空隙稱層間域。黏土礦物的層間域是一個良好的化學反應(yīng)場所，它具有層間交換、吸附、催化、聚合、柱撐等特性。黏土礦物的結(jié)構(gòu)單元層通常都帶有電荷，分為結(jié)構(gòu)電荷(永久電荷)和表面電荷(可變電荷)。由于黏土礦物顆粒細微、帶有電荷、比表面積巨大和存在結(jié)構(gòu)層間域等，使之具有吸附性、膨脹性、可塑性和離子交換等特殊性能。

黏土因具有獨特的層狀結(jié)構(gòu)而具有良好的吸附和離子交換性能，且其儲量大，價格低，是一類很有發(fā)展前景的優(yōu)質(zhì)廉價吸附劑。目前研究較多的黏土類吸附劑主要有：膨潤土、硅藻土、蒙脫土、凹凸棒土、沸石、海泡石、蛭石、蛇紋石、高嶺土和伊利石等。天然黏土礦物吸附性能較差，經(jīng)過改性處理后其吸附性能提高。改性的方法主要有焙燒、酸浸漬、改性劑改性等。

[制備方法]天然黏土一般由硅酸鹽礦物在地球表面風化后形成，有些成巖作用也會產(chǎn)生黏土。天然黏土礦物存在著大量可交換的親水性無機陽離子，使實際黏土表面通常存在著一層薄的水膜，因而不能有效地吸附疏水性有機污染物，直接用于廢水處理，往往不能達到很好的處理效果。一般用于廢水處理的黏土礦物經(jīng)過一次或二次處理，或?qū)⒌V物熔燒成粒狀大面積材料，進一步增強其吸附能力及去除效果。

黏土礦物由于本身表面硅氧結(jié)構(gòu)有極強的親水性，其結(jié)構(gòu)外部的陽離子又具有水解作用，因而它對有機污染物和陰離子污染物的處理效果不佳，為提高原土的污水處理能力，在使用黏土礦物處理廢水時，一般先對其進行改性。改性黏土是利用某些層狀黏土的離子或分子的可交換性，將一些原子、分子、化合物作為交聯(lián)劑，插入到層間域而形成的化合物。交聯(lián)黏土進一步加熱脫氫或脫羥基后，會在層間域形成柱狀金屬氧化物群，將黏土層間撐開，產(chǎn)生分子大小的層間距，故又稱為層柱黏土。

黏土改性的常見方法有兩種。一是活化法，活化黏土礦物的方法較多，有酸化法、氧化法、還原法、熔燒法以及氫化法，其中以酸化法(用硫酸或鹽酸處理)較為簡單易行。二是添加無機或有機化合物或同時加入無機、有機化合物制成復合礦物，以滿足不同用途的需要，并提高其處理廢水的能力。

①無機層柱黏土礦物用無機陽離子改性黏土礦物是利用黏土礦物層間具有可交換陽離子的反應(yīng)活性，把無機改性劑引入層間將黏土礦物層與層撐開而形成的化合物，從而改變層間結(jié)構(gòu)，提高表面活性，增強其吸附能力。采用的無機陽離子插層劑一般是聚合羥基陽離子包括Al、Zr、Ti、Cr、Fe、Si、Ni、Cu、V、Co等或其復合型，最常用的是具有較大體積和較高電荷的Al和Zr。

②有機層柱黏土礦物對黏土礦物進行有機改性是由于天然黏土礦物存在大量可交換的親水性無機陽離子，使實際黏土表面常存在一層薄的水膜，因而不能有效地吸附疏水性有機污染物。這時需要對黏土礦物進行有機物改性，通常采用有機陽離子，通過離子交換，把黏土礦物中原先存在的無機陽離子置換出來，使其成為疏水性有機黏土，這樣增加了黏土礦物的疏水性，增強了去除疏水性有機污染物的能力。國外采用的有機物種類較廣，醇、醚、酮、醛、羧酸、酚、醌、胺、烴、芳香類、酰類、有機硫和磷都有涉及，國內(nèi)主要集中于季銨鹽和胺的研究。

③無機有機復合層柱黏土礦物E.Mortarges等用羥基鋁膨潤土與聚合環(huán)氧乙烷反應(yīng)得到無機-有機膨潤土復合材料，對廢水中Cu2+、Hg2+、Cd2+、Ni2+等多種重金屬離子有良好的去除效果。張蕾等利用硅鈦交聯(lián)劑與膨潤土進行交聯(lián)反應(yīng)制備硅鈦交聯(lián)膨潤土，并以溴化十六烷基三甲基銨(CTMAB)改性，制成CTMAB-Si-Ti膨潤土，用其處理造紙黑液，對COD吸附容量高達549.3mg/g。這些表明無機-有機復合交聯(lián)黏土礦物具有更好的吸附效果和更為廣泛的應(yīng)用范圍。

改性實例1：接枝聚丙烯腈

用pH=3.0的乙酸水溶液，將偶聯(lián)劑KH-570配成2%的溶液。將酸活化的凹凸棒黏土制成2%懸浮液后，加入到上述水解后的偶聯(lián)劑溶液中，加熱回流1h，產(chǎn)物通過離心分離，用去離子水洗至pH=7.0，后用無水乙醇洗滌數(shù)次，在真空干燥箱中40℃干燥12h，即得硅烷改性凹土(Si-ATP)。

60mL新蒸的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中通入氬氣排氧處理30min后，加入0.0548g過硫酸鉀，攪拌溶解后向其中加入改性凹凸棒黏土0.80g和丙烯腈10mL，升溫至60℃反應(yīng)5h(整個過程都在氬氣保護下進行)。將離心處理得到的產(chǎn)物后置于DMF中反復超聲分散，直至離心后的清液傾入去離子水中無白色沉淀產(chǎn)生，此時反應(yīng)中形成的均聚物被完全除去。將產(chǎn)物用無水乙醇洗滌數(shù)次，在真空干燥箱中40℃干燥5h，得到聚丙烯腈接枝凹土(PAN-ATP)。

將接枝產(chǎn)物用1mol/L的NaOH溶液在80℃下皂化反應(yīng)1.5h，所得產(chǎn)物通過離心分離后，在40℃干燥5h,得到皂化接枝改性凹土(Sap-ATP)。

改性實例2：氯化鑭改性黏土

取500mL、2%(質(zhì)量分數(shù))的LaCl3水溶液(起始pH值為8.3)，加入10g黏土礦物樣品。所得混合液在20℃下，恒溫振蕩48h。然后再將混合液在2×105Pa的壓力條件下蒸煮1h。冷卻后，用中速定性濾紙過濾(用超純水充分洗滌3～5遍)，所得黏土放入烘箱(60℃)老化12h，放冷后于干燥器中保存。改性黏土使用前，經(jīng)100℃下烘干，研磨過180目篩，粒度小于74μm。

改性實例3：微波改性凹凸棒黏土

a.凹土預(yù)處理將實驗用凹土進行機械粉碎，加入4%的稀鹽酸進行酸活化處理：將4%的鹽酸加入提純坡縷石土中，使礦漿中固體(質(zhì)量)與液體(體積)的比為1：5，攪拌活化2h。活化完成后將改性土洗滌至pH值為7左右，并于恒溫烘箱中105℃烘干，粉碎至200目，備用。

b.凹土熱活化稱取一定量的凹土于陶瓷坩堝中，置于SRJX-2-9型箱型電阻爐內(nèi)進行熱活化，進一步提高凹凸棒石的活化程度和吸附程度。實驗中對凹土進行2h的熱活化，活化溫度300℃，反應(yīng)在SRJX-2-9型箱型電阻爐中進行。

c.凹土鈉化稱取一定量熱活化凹土，配成15%的礦漿，加入4%的NaCl鈉化2h。

d.凹土微波有機改性實驗對物理改性的凹土繼續(xù)進行有機改性。傳統(tǒng)的有機改性僅是通過機械攪拌或超聲波分散處理進行，改性時間長，改性不充分。而采用微波有機改性的方法，不但操作簡便，而且與傳統(tǒng)方法相比較，可明顯加快反應(yīng)過程，縮短活性凹土的制備時間，節(jié)約能源。實驗采用WF-4000型微波快速反應(yīng)器，反應(yīng)在100Hz、80℃下，10min即可完成有機改性，既縮短了改性時間，改性劑又能更好地插入到凹凸棒石的層鏈結(jié)構(gòu)中，提高其吸附性能。

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