有機改性蒙脫石研究進(jìn)展

劉慧 李元元

摘 要：蒙脫石是一種層狀硅鋁酸鹽礦物，是天然的納米結(jié)構(gòu)材料。目前蒙脫石廣泛應(yīng)用于高分子復(fù)合材料方面。其在多個方面性能優(yōu)良，如陽離子交換性、強大的吸附能力、分散性能等，正是因為其性能優(yōu)良，在多個領(lǐng)域使用廣泛。但是其也有性能的弱點，那就是其表面極性大，很難與聚合物融合，我們需要進(jìn)行性能的改良，實現(xiàn)其聚能局限的優(yōu)化。因此本文論述的重點是有機改性蒙脫石的方法以及改性后的蒙脫石的吸附性能。

關(guān)鍵詞：蒙脫石 改性方法 陽離子交換性 吸附性能

中圖分類號：TQ 323.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）06（a）-0079-02

1 蒙脫石結(jié)構(gòu)

蒙脫石的主要成分是2︰1型的三層結(jié)構(gòu)層狀硅鋁酸鹽，其晶胞構(gòu)成是兩個硅氧四面體和一個鋁氧八面體，平均每層的厚度都在1nm，不同層之間吸附有容易被其他陽離子置換的Ca2+、Mg2+、Na+等離子。這種緊密堆積的四面體和八面體，其內(nèi)部晶格間分布著有序的排列結(jié)構(gòu)，其中四面體和八面體是通過共用氧原子連接的，晶胞則是平行重疊排列。對應(yīng)的晶胞內(nèi)Si4+、Al3+容易被其他低價陽離子置換，因此蒙脫石結(jié)構(gòu)的片層帶有負(fù)電荷，而剩下的負(fù)電荷依靠吸附游離于層間的Na+、Ca2+和K+等陽離子確保晶胞電荷的平衡。

2 蒙脫石的性能改良

蒙脫石具有較好的離子交換性、吸附能力強，并且具有經(jīng)濟實惠、儲存量大、無污染等特點，其性能的優(yōu)勢使得其在化工、石油、交通、食品及醫(yī)療中應(yīng)用廣泛，也被形象地稱為“萬能材料”。為滿足各行各業(yè)的實際應(yīng)用需求，特別是重金屬廢水處理，需要提高蒙脫石的質(zhì)量及其使用效率，因此要對蒙脫石進(jìn)行改性處理。當(dāng)前蒙脫石的改良方法有多種，最常見的是無機改良、有機改良和復(fù)合改良3種，而最為有效的是有機改良。

2.1 無機改性

無機改性是利用無機物改性劑中的陽離子置換蒙脫石層間原有的金屬陽離子，改變層間結(jié)構(gòu)，從而提高蒙脫石吸附性、表面酸性的濃度和強度等。常用的無機改性有酸改性、無機鹽改性和鈉化改性3種。其中酸改性主要是用酸試劑對蒙脫石進(jìn)行洗滌或者對含有酸的蒙脫石液加熱，使蒙脫石層間的Na+、Ca2+和K+等陽離子置換為相應(yīng)酸的可溶性鹽類，提高蒙脫石的吸附和催化性；酸改性的蒙脫石，可以作為脫色劑、吸附劑等。無機鹽改性是蒙脫石層間陽離子與無機金屬鹽陽離子進(jìn)行離子交換，從而達(dá)到改性效果。用于蒙脫石改性的鹽類主要有鋁鹽、鋅鹽、鎂鹽、銅鹽等；天然蒙脫石以鈣基蒙脫石為主，還有少量的鈉基蒙脫石、鋁基蒙脫石等。但是，以鈉基蒙脫石的產(chǎn)品性能最佳。鈉基蒙脫石有較高的陽離子交換性、膨脹性、膠質(zhì)性以及較高的熱干壓強度和濕壓強度。

2.2 有機改性

對蒙脫石進(jìn)行有機改良可以將蒙脫石層間的水化無機金屬陽離子交換出來，增加層間距。有機季銨鹽改性使層間增大且降低其表面的親水性，提高親油性，加強蒙脫石與聚合物的結(jié)合力；聚合物單體改性是利用聚合物單體作為改性劑插層到蒙脫石層間，再通過聚合反應(yīng)得到其納米復(fù)合材料；偶聯(lián)劑改性是利用蒙脫石表面與活性官能團進(jìn)行吸附，并對蒙脫石進(jìn)行表面修飾，從而可以提高其潤濕性和相容性。

2.3 無機/有機復(fù)合改性

無機/有機復(fù)合改性是把無機與有機兩種改性方法合理地結(jié)合起來運用，先進(jìn)行蒙脫石的無機改良，再進(jìn)行有機改良，最終得到有機復(fù)合型蒙脫石。這種方法被廣泛運用于污水、廢水處理方面。

3 有機改性蒙脫石

李莉等以鈉蒙脫石和十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）有機改性蒙脫石為吸附劑對水溶液中的鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）進(jìn)行了靜態(tài)吸附對比，觀察吸附時間、溶液初始pH等因素對吸附效果的影響，研究了DBP在蒙脫石有機改性前后的兩種吸附劑上的吸附機制。楊性坤等以河南信陽膨潤土為原料，經(jīng)提純鈉化后用十六烷基三甲基溴化銨（CTMAB）作有機插層劑與蒙脫土層間的陽離子進(jìn)行交換，制備出層間距不同的有機蒙脫土，用XRD、TG、DSC對產(chǎn)品進(jìn)行表征，探討了有機改性的工藝條件及所得有機蒙脫土的吸附性能。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CTMAB與蒙脫土量之比為100mmol/100g時，特別是又處于75℃的溫度中，持續(xù)2～3h，此時蒙脫土的層間距最大，具備較強的吸附能力，因此可以有效去除水溶液中苯酚類的有毒物質(zhì)。

齊杉等為了提升富鋅防腐涂料各方面的效能，選擇硅丙乳液、硅溶膠、氫氧化鉀作為主體材料，在主體材料中分別加入經(jīng)過HOOC（CH2）17NH3+和CH3（CH2）17NH3+有機改良的蒙脫石作為抗沉劑，創(chuàng)新研發(fā)出具備改良性能的硅酸鉀富鋅防腐涂料，實現(xiàn)其各方面性能的優(yōu)化補充。

而學(xué)者Nevin Oztekin則重點研究了陽離子聚合物乙烯亞胺與膨潤土的吸附作用，在大量的研究之后，其認(rèn)為兩者之間的吸附產(chǎn)生原理是兩者之間存在靜電影響作用，膨潤土在聚乙烯亞胺陽離子的靜電刺激下，其原有的懸浮流變性能改變，而其又將對聚合物的吸附能力實現(xiàn)了最大程度的發(fā)揮，其流變性能隨著膨潤土中交換性陽離子的變化而變化。

學(xué)者Sanchez-Martin則用長鏈表面活性劑十八烷基三甲基溴化銨改良蒙脫石，高嶺石及海泡石等礦物質(zhì)，將改良后所獲得的礦物用于農(nóng)藥污染水體的治理，對比天然的粘土礦物，經(jīng)過改良的粘土礦物對有機農(nóng)藥具有更強的吸附能力，研究發(fā)現(xiàn)，改良后的蒙脫石對戊菌唑和甲霜靈的吸附能力是天然蒙脫石的100倍以上。

根據(jù)大量的實驗表明，改性蒙脫石通過離子交換，將蒙脫石層間的金屬離子置換出來，擴大蒙脫石層間距離，增加高分子化合物的相容性和吸附性，使其吸附性能得到很大提高。

4 結(jié)語

眾多無機納米粒子中，蒙脫土由于其在我國儲藏豐富，性能全面而優(yōu)良，其經(jīng)濟實惠，因此備受青睞。特別是工業(yè)生產(chǎn)中，具有很強的應(yīng)用價值。從最開始的陽離子表面活性劑對粘土進(jìn)行表面有機化處理，到聚合物的添加劑、有毒物質(zhì)的吸附劑、催化劑等。尤其是聚合物/蒙脫石納米復(fù)合材料，實現(xiàn)了蒙脫石利用價值的最大限度發(fā)揮。它大幅度地改善了納米復(fù)合材料的力學(xué)性能、阻燃性能和熱穩(wěn)定性能及其他特殊性能等。雖然目前人們對蒙脫石的改性及其應(yīng)用研究已經(jīng)日趨成熟，但蒙脫石作為“萬能材料”仍有很大的研究空間，如對有機蒙脫石合成工藝的研究、對有機蒙脫石在環(huán)保方面的應(yīng)用研究、利用有機蒙脫石進(jìn)行新材料的開發(fā)研究等。

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