有機(jī)柱撐水云母的制備及表征

危鈺，黃志良，李紫謙，黃小雨，徐偉榮，齊同剛

武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

有機(jī)柱撐水云母的制備及表征

危鈺，黃志良*，李紫謙，黃小雨，徐偉榮，齊同剛

武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

經(jīng)過(guò)“鋇/鉀離子交換”后的黑云母變?yōu)檫吘墔^(qū)域?yàn)轵问瘜?，中央?yún)^(qū)域?yàn)樵颇笇拥乃颇?用十八烷基三甲基氯化銨對(duì)水云母進(jìn)行有機(jī)柱撐，得到有機(jī)柱撐水云母.通過(guò)X射線衍射測(cè)試和傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜對(duì)粉末樣品進(jìn)行表征，研究了十八烷基三甲基銨離子對(duì)水云母層間距的影響及在夾層中的排布模式.結(jié)果表明，水云母中全部蛭石層和部分云母層被十八烷基三甲基銨離子撐大，柱撐層層間距為2.8 nm，層間十八烷基三甲基銨離子以單層傾斜結(jié)構(gòu)排布，傾斜角約為45°.

有機(jī)柱撐；黑云母；水云母；十八烷基三甲基氯化銨

層狀硅酸鹽粘土具有的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使其硅氧四面體中Si4+可以被Al3+同晶置換，結(jié)構(gòu)單元層因此帶負(fù)電荷，需要吸附陽(yáng)離子補(bǔ)償一部分電荷缺失，結(jié)果導(dǎo)致相鄰硅酸鹽片層中充斥著大量陽(yáng)離子或水合陽(yáng)離子［1-3］.

層間為水合陽(yáng)離子的蛭石、蒙脫石類粘土礦物在干燥的環(huán)境下，層間陽(yáng)離子幾乎處于脫水狀態(tài)，可以吸附中性有機(jī)污染物；在濕潤(rùn)環(huán)境下，又具有相當(dāng)大的離子交換能力（cation exchange capacity， CEC），可以交換污水中的重金屬陽(yáng)離子，以治理污水［4-5］.基于層間為水合陽(yáng)離子的粘土礦物具有較大的層間域，可以通過(guò)陽(yáng)離子交換反應(yīng)將有機(jī)離子團(tuán)直接引入蛭石、蒙脫石類粘土礦物的夾層中，將天然粘土轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)粘土［6］.有機(jī)粘土具有較強(qiáng)的疏水親油性及更大的層間域從而去除水中污染物的能力比天然礦物高出幾十倍甚至幾百倍［7-10］.

層間為陽(yáng)離子的云母類粘土礦物，由于層間陽(yáng)離子（基本為K+）和相鄰的硅氧四面體片層之間的吸附作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致層間域狹窄，其它金屬陽(yáng)離子和有機(jī)離子團(tuán)難以進(jìn)入層間進(jìn)行交換反應(yīng)［11-12］.孟鵬等人通過(guò)“Ba2+/K+交換法”成功從黑云母中提取K+，以解決目前我國(guó)農(nóng)業(yè)鉀肥不足的現(xiàn)狀，并得到一種既含有蛭石層又含有云母層的水云母［13-14］，但鮮有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)這種具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的水云母進(jìn)行深入的有機(jī)柱撐研究.本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上成功制備一批水云母，并揭示其結(jié)構(gòu)特征，再用十八烷基三甲基氯化銨（stearyl trimethyl ammonium chloride，STAC）對(duì)其進(jìn)行柱撐，研究其層間陽(yáng)離子與有機(jī)離子團(tuán)的交換規(guī)律及有機(jī)離子團(tuán)在層間的排布模式.經(jīng)過(guò)有機(jī)柱撐后的水云母因具有較大的層間距和疏水親油性可以用于吸附水中的有機(jī)污染物，治理污水.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

黑云母來(lái)源于于河北靈壽縣，純度＞98%，墨綠色粉末狀，將其研磨并過(guò)149 μm（100目）篩備用，其化學(xué)組成如表1所示.硝酸鋇購(gòu)自于中國(guó)國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，STAC購(gòu)自于阿拉丁化學(xué)試劑公司，鹽酸（0.5 mol/L）和蒸餾水為實(shí)驗(yàn)室自制.

表1 黑云母的化學(xué)成分Tab.1Chemical compositions of biotite%

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 水云母的制備準(zhǔn)確稱量5 g黑云母于250 mL錐形瓶中，加入0.2 mol Ba（NO3）2和200 mL蒸餾水，用0.5 mol/L的稀鹽酸調(diào)節(jié)pH值為3，塞緊瓶口，在80℃的恒溫水浴鍋中反應(yīng)，水浴120 h后，過(guò)濾掉反應(yīng)溶液，并用蒸餾水反復(fù)洗滌3次后（用AgNO3檢測(cè)過(guò)濾后的溶液無(wú)Cl-為止），將得到的固體樣品在90℃的恒溫干燥箱中烘干，研磨后得到黑云母經(jīng)Ba2+/K+交換后的產(chǎn)物，即水云母.

1.2.2 水云母的有機(jī)柱撐準(zhǔn)確稱取8份水云母磨細(xì)樣，每份0.2 g，置于50 mL錐形瓶中，加入40 mL蒸餾水，用攪拌器攪拌15 min后，使其在水溶液中充分分散，然后分別加入0.01 g、0.02 g、0.05 g、0.1 g、0.15 g、0.2 g、0.25 g、0.3 g、0.4 g、0.5 g、0.6 g及0.8 g STAC，在60℃的恒溫水浴鍋中水浴2 h后，用離心機(jī)分離，經(jīng)蒸餾水反復(fù)洗滌3次后（用AgNO3檢測(cè)過(guò)濾后的溶液無(wú)Cl-為止），將得到的固體樣品在90℃的恒溫干燥箱中烘干即得到有機(jī)柱撐水云母.

1.3 表征方法

采用多晶X-射線衍射儀（bruKer，D8 ADVANCE，德國(guó)）對(duì)樣品進(jìn)行X-射線衍射（X-ray diffraction，XRD）物相分析，試驗(yàn)條件為Cu Kα輻射，加入的電壓和電流分別為40 kV和40 mA，掃描范圍為2°～12°，掃描速度為6（°）/min.

采用智能型傅立葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectrometer，F(xiàn)T-IR）儀（Nexus，Thermo Nicolet，USA）檢測(cè)樣品中的化學(xué)鍵變化，掃描范圍50 cm-1～300 cm-1.

2 結(jié)果與討論

2.1 水云母的結(jié)構(gòu)分析

圖1為黑云母原樣及水云母的XRD圖，由圖1可見原黑云母的晶面間距為1.0 nm，經(jīng)過(guò)Ba2+/K+交換后得到的水云母存在著2種不同的晶面間距，分別為1.0 nm、1.2 nm.Meng等人通過(guò)遠(yuǎn)紅外測(cè)試及化學(xué)全分析測(cè)試，證實(shí)水云母中晶面間距為1.2 nm的層充斥著大量水合Ba2+，認(rèn)為Ba2+交換了原黑云母夾層一部分容易交換的K+，并以水合Ba2+的形式存在其中，同時(shí)擴(kuò)張了云母層，使之向蛭石層發(fā)生轉(zhuǎn)變［14］，但是這個(gè)轉(zhuǎn)變只發(fā)生在一部分云母層，結(jié)合黑云母結(jié)構(gòu)與離子交換過(guò)程［1］，分析認(rèn)為，在反應(yīng)溶液中，黑云母的云母片周圍密集圍繞著大量Ba2+，它們優(yōu)先交換云母片外圍夾層中的K+，而越往中心區(qū)域的K+想要被交換出來(lái)，需要克服更大的空間位阻，交換更加困難，甚至無(wú)法被Ba2+交換，于是當(dāng)云母片只有外圍夾層中的K+被水合Ba2+交換，就出現(xiàn)了邊緣區(qū)域?yàn)轵问瘜樱醒雲(yún)^(qū)域?yàn)樵颇笇拥乃颇?

圖1 黑云母與水云母的XRD圖Fig.1XRD patterns of biotite and hydromica

2.2 水云母的有機(jī)柱撐

2.2.1 XRD表征STAC的結(jié)構(gòu)為直鏈型，其長(zhǎng)度為2.6 nm，圖2為不同質(zhì)量的STAC柱撐水云母的XRD圖，根據(jù)有機(jī)柱撐水云母的性質(zhì)，將STAC柱撐水云母分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共4個(gè)階段.

圖2 不同STAC質(zhì)量下得到的有機(jī)柱撐水云母的XRD圖Fig.2XRD patterns of organic pillared hydromica obtained at different mass of STAC

Ⅰ階段：當(dāng)加入的STAC質(zhì)量為0.01 g～0.05 g時(shí)，水云母中云母層的特征衍射峰（1.00 nm）峰強(qiáng)基本未發(fā)生變化，而蛭石層的特征衍射峰（1.20 nm）峰強(qiáng)相對(duì)減弱，在低角度區(qū)出現(xiàn)一個(gè)新的001面的特征衍射峰，其d001值為2.8 nm，說(shuō)明水云母中蛭石層向更大晶面間距的層發(fā)生轉(zhuǎn)變，分析認(rèn)為是低濃度的STA+優(yōu)先進(jìn)入了蛭石層去交換其中的水合Ba2+，并排布在蛭石層的層間域中.有機(jī)柱撐水云母的柱撐層層間域的厚度等于測(cè)得的低角度區(qū)d001值減去蛭石硅酸鹽層厚度（0.96 nm），即有機(jī)柱撐水云母柱撐層層間域厚度=（d001-0.96）nm，當(dāng)d001值為2.8 nm時(shí)，柱撐層層間域厚度為1.84 nm，這表明STA+在水云母蛭石層中采取單層傾斜模式排布，由幾何關(guān)系算得平均傾斜角為45°.

Ⅱ階段：當(dāng)加入的STAC質(zhì)量為0.1 g～0.2 g時(shí)，水云母中云母層的特征衍射峰保持不變，蛭石層的特征衍射峰（1.2 nm）峰強(qiáng)從減弱到消失，而柱撐云母層的特征衍射峰峰強(qiáng)逐漸增強(qiáng)，峰值保持不變，表明當(dāng)加入STAC的質(zhì)量為0.2 g時(shí)，蛭石層中的水合Ba2+基本被STA+所交換，有機(jī)離子團(tuán)繼續(xù)以單層傾斜的模式排布在蛭石層中，而云母層中的K+與STA+幾乎無(wú)交換能力.吳平霄等人研究水黑云母柱撐時(shí)，認(rèn)為STA+與水黑云母中蛭石層中的水合陽(yáng)離子及云母層中的K+均有直接交換能力［15］，這一結(jié)論與本實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)并不一致，從云母和十八烷基三甲基氯化銨的結(jié)構(gòu)上分析，STA+的－（CH3）3頭直徑大約為0.48 nm，烷基頭即碳鏈直徑大約為0.41 nm，而云母層的層間域的厚度等于測(cè)得的云母層層間距（1.0 nm）減去云母硅酸鹽層厚度（0.96 nm），即云母層層間域厚度僅為0.04 nm，STA+的烷基頭部及碳鏈軀干無(wú)法順利進(jìn)入層間去交換層間K+.

Ⅲ階段：當(dāng)加入STAC的質(zhì)量為0.25 g～0.4 g時(shí)，水云母中云母層的特征衍射峰（1 nm）峰強(qiáng)逐漸降低，蛭石層的特征衍射峰又重新出現(xiàn)，其峰強(qiáng)相對(duì)于柱撐云母層和云母層的特征衍射峰峰強(qiáng)是很小的，峰值為1.2 nm，但隨著加入STAC質(zhì)量的增大又慢慢消失.柱撐云母層的特征衍射峰峰強(qiáng)繼續(xù)增大，在加入STAC的質(zhì)量為0.4 g時(shí)，峰強(qiáng)達(dá)到最大.測(cè)試結(jié)果表明一部分云母層繼續(xù)向蛭石層轉(zhuǎn)變，使得STA+可以繼續(xù)柱撐蛭石層.分析原因可能是上一階段蛭石層中的水合Ba2+被STA+交換后繼續(xù)與水云母中央云母層中的K+發(fā)生交換，使云母層轉(zhuǎn)變?yōu)轵问瘜樱沧孲TA+可以繼續(xù)交換蛭石層中的水合Ba2+.

Ⅳ階段：當(dāng)加入STAC的質(zhì)量為0.5 g～0.8 g時(shí)，水云母中云母層特征衍射峰和柱撐云母層的特征衍射峰的峰強(qiáng)和峰值基本保持不變，且隨著加入STAC質(zhì)量的繼續(xù)增大，沒有其它新的特征衍射峰出現(xiàn).說(shuō)明，當(dāng)加入STAC的質(zhì)量達(dá)到0.5 g時(shí)，中央?yún)^(qū)域的云母層無(wú)法繼續(xù)向蛭石層轉(zhuǎn)變，分析可能是由于水合Ba2+需要克服更大空間位阻才能交換最中心區(qū)域的云母層中的K+，在本實(shí)驗(yàn)條件水合Ba2+無(wú)法克服這部分空間位阻使得交換反應(yīng)不能繼續(xù)進(jìn)行.

2.2.2 FT-IR表征遠(yuǎn)紅外測(cè)試結(jié)果如圖3所示，K-O鍵吸收峰ρK-O（85.2 cm-1）相對(duì)強(qiáng)度代表黑云母/水云母中的K+相對(duì)含量，ρBa-O（68.0 cm-1）相對(duì)強(qiáng)度代表水云母中的Ba+相對(duì)含量.結(jié)果表明黑云母轉(zhuǎn)變?yōu)樗颇负?，原黑云母中一部分K-O鍵吸收峰ρK-O（85.2 cm-1）向水云母中的Ba-O鍵吸收峰ρBa-O（68.0 cm-1）發(fā)生轉(zhuǎn)變.用STAC對(duì)水云母進(jìn)行柱撐時(shí)，在加入STAC的質(zhì)量低于0.2 g時(shí)，隨著加入STAC質(zhì)量的增加，Ba-O鍵吸收峰ρBa-O相對(duì)強(qiáng)度逐漸減少到基本消失，K-O鍵吸收峰ρK-O相對(duì)強(qiáng)度未有明顯減弱，表明有機(jī)柱撐水云母層間Ba+含量逐漸減少到基本消失，K+含量基本保持不變；在加入STAC的為0.25 g時(shí)，Ba-O鍵吸收峰ρBa-O重新出現(xiàn)，但相對(duì)強(qiáng)度很弱，K-O鍵吸收峰ρK-O相對(duì)強(qiáng)度出現(xiàn)減弱，表明隨著STAC質(zhì)量的繼續(xù)增加，一部分水合Ba+又進(jìn)入了水云母層間，同時(shí)層間K+溢出，導(dǎo)致K+相對(duì)含量減少；在加入STAC的為0.5 g時(shí)，Ba-O鍵吸收峰ρBa-O消失，K-O鍵吸收峰ρK-O相對(duì)強(qiáng)度保持不變，表明層間水合Ba+全部溢出，K+基本保持不變；加入STAC的為0.8 g時(shí)，K-O鍵吸收峰ρK-O的相對(duì)強(qiáng)度繼續(xù)保持不變，表明離子交換過(guò)程結(jié)束，此時(shí)有機(jī)柱撐水云母層間金屬陽(yáng)離子只剩下K+.

圖3 黑云母、水云母及有機(jī)柱撐水云母的FT-IR圖譜Fig.3FT-IR spectra of biotite，hydromica and organic pillared hydromica

2.3 水云母的制備及有機(jī)柱撐機(jī)制

綜上所述，黑云母轉(zhuǎn)變?yōu)樗颇讣癝TAC柱撐水云母的過(guò)程如圖4所示，經(jīng)過(guò)Ba2+/K+交換后的黑云母變?yōu)檫吘墔^(qū)域?yàn)轵问瘜?，中心區(qū)域?yàn)樵颇笇拥乃颇?用STAC柱撐水云母，其離子交換過(guò)程為：隨著加入STAC質(zhì)量的增加，STA+先進(jìn)入云母片外圍的蛭石層中去交換層間的水合Ba2+，當(dāng)蛭石層全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹鶕卧颇笇雍螅捎谕鈬问瘜涌臻g擴(kuò)張的原因，使得被交換出來(lái)的水合Ba2+可以繼續(xù)與部分中央云母層中的K+發(fā)生交換，并將一部分中央云母層轉(zhuǎn)變?yōu)轵问瘜?，也讓STA+可以繼續(xù)柱撐起這一部分蛭石層.最終，水云母中外圍蛭石層和部分中央云母層被STA+撐大，柱撐層層間距平均厚度為2.8 nm，STA+約以45°單層傾斜模式排布于其中.

圖4 水云母的制備及有機(jī)柱撐過(guò)程Fig.4Preparation of hydromica and organic pillaring process

3 結(jié)語(yǔ)

1）經(jīng)過(guò)一次Ba2+/K+后的黑云母變?yōu)檫吘墔^(qū)域?yàn)轵问瘜?，中央?yún)^(qū)域?yàn)樵颇笇拥乃颇?

2）水云母中只有蛭石層中的水合Ba2+可以直接與STA+發(fā)生交換，隨著加入STAC質(zhì)量的增加，發(fā)生交換反應(yīng)的過(guò)程為：STA+交換外圍蛭石層中的水合Ba2+，外圍蛭石層中的水合Ba2+因?qū)娱g擴(kuò)張與中央?yún)^(qū)域云母層中的K+發(fā)生交換，STA+交換上一階段轉(zhuǎn)變的蛭石層中的水合Ba2+.對(duì)應(yīng)的水云母各層轉(zhuǎn)變的情況為：外圍蛭石層→柱撐云母層，中央?yún)^(qū)域部分云母層→中央蛭石層，中央蛭石層→柱撐云母層.

3）隨著加入STAC質(zhì)量的增大，蛭石層中有機(jī)離子團(tuán)始終保持單層傾斜的排布模式，傾斜角約為45°，柱撐層層間距厚度為2.8 nm.

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本文編輯：苗變

Preparation and Characterization of Organic Pillared Hydromica

WEI Yu，HUANG Zhiliang*，LI Ziqian，HUANG Xiaoyu，XU Weirong，QI Tonggang
School of Materials and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

Hydromica was obtained with vermiculite layer at edge area and mica layer in central area by exchanging Ba2+and K+in biotite.The organic pillared hydromica was produced by stearyl trimethyl ammonium chloride pillaring hydromica.The powder samples were characterized by X-ray diffraction measurements and Fourier transform infrared spectroscopy，the effects of STA+on basal spacing of hydromica and the arrangement of STA+in the interlayer were explored.The results show that all the vermiculite layers and some mica layers were pillared by STA+in hydromica，and the basal spacing of pillaring layer is 2.8 nm.Intercalated STA+formed a monolayer structure with angle of 45°.

organic-pillared；biotite；hydromica；stearyl trimethyl ammonium chloride

TD985

A

10.3969/j.issn.1674?2869.2017.03.007

1674-2869（2017）03-0243-05

2016-08-31

國(guó)家自然科學(xué)基金（51374155）；湖北省科技支撐計(jì)劃（2014BCB034）；湖北省自然科學(xué)基金（2014CFB796）；湖北省科技支撐計(jì)劃（2015BAA105）

危鈺，碩士研究生.E-mail：765731959@qq.com

*通訊作者：黃志良，博士，教授.E-mail：hzl6455@126.com

危鈺，黃志良，李紫謙，等.有機(jī)柱撐水云母的制備及表征［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，39（3）：243-247.

WEI Y，HUANG Z L，LI Z Q，et al.Preparation and characterization of organic pillared hydromica［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2017，39（3）：243-247.