黏士的物化性质和制备方法

时间：2023-03-24 15:23:58来源：food栏目：食品快速检测阅读：

黏士的物化性质和制备方法

[db:作者] / 2023-01-03 00:00

黏士

[物化性质]黏土矿物是指粒径小于2μm的含水层状硅酸盐矿物，主要包括伊利石族、蛭石族、高岭石族、蒙皂石族、坡缕石族等矿物。层状硅酸盐矿物具有四面体片和八面体片组成的晶体结构。由一个四面体片和一个八面体片组成的结构单元层称为1：1型(TO型)，如高岭石、埃洛石和蛇纹石等；由两个四面体片夹一个八面体片组成的结构单元层称为2：1型(TOT)型，如叶蜡石、云母、蛭石等。另外，还有间层(混层)结构，如累托石等。结构单元层在垂直网片方向周期性地重复叠置构成矿物的空间格架，而在结构单元层之间存在着空隙称层间域。黏土矿物的层间域是一个良好的化学反应场所，它具有层间交换、吸附、催化、聚合、柱撑等特性。黏土矿物的结构单元层通常都带有电荷，分为结构电荷(永久电荷)和表面电荷(可变电荷)。由于黏土矿物颗粒细微、带有电荷、比表面积巨大和存在结构层间域等，使之具有吸附性、膨胀性、可塑性和离子交换等特殊性能。

黏土因具有独特的层状结构而具有良好的吸附和离子交换性能，且其储量大，价格低，是一类很有发展前景的优质廉价吸附剂。目前研究较多的黏土类吸附剂主要有：膨润土、硅藻土、蒙脱土、凹凸棒土、沸石、海泡石、蛭石、蛇纹石、高岭土和伊利石等。天然黏土矿物吸附性能较差，经过改性处理后其吸附性能提高。改性的方法主要有焙烧、酸浸渍、改性剂改性等。

[制备方法]天然黏土一般由硅酸盐矿物在地球表面风化后形成，有些成岩作用也会产生黏土。天然黏土矿物存在着大量可交换的亲水性无机阳离子，使实际黏土表面通常存在着一层薄的水膜，因而不能有效地吸附疏水性有机污染物，直接用于废水处理，往往不能达到很好的处理效果。一般用于废水处理的黏土矿物经过一次或二次处理，或将矿物熔烧成粒状大面积材料，进一步增强其吸附能力及去除效果。

黏土矿物由于本身表面硅氧结构有极强的亲水性，其结构外部的阳离子又具有水解作用，因而它对有机污染物和阴离子污染物的处理效果不佳，为提高原土的污水处理能力，在使用黏土矿物处理废水时，一般先对其进行改性。改性黏土是利用某些层状黏土的离子或分子的可交换性，将一些原子、分子、化合物作为交联剂，插入到层间域而形成的化合物。交联黏土进一步加热脱氢或脱羟基后，会在层间域形成柱状金属氧化物群，将黏土层间撑开，产生分子大小的层间距，故又称为层柱黏土。

黏土改性的常见方法有两种。一是活化法，活化黏土矿物的方法较多，有酸化法、氧化法、还原法、熔烧法以及氢化法，其中以酸化法(用硫酸或盐酸处理)较为简单易行。二是添加无机或有机化合物或同时加入无机、有机化合物制成复合矿物，以满足不同用途的需要，并提高其处理废水的能力。

①无机层柱黏土矿物用无机阳离子改性黏土矿物是利用黏土矿物层间具有可交换阳离子的反应活性，把无机改性剂引入层间将黏土矿物层与层撑开而形成的化合物，从而改变层间结构，提高表面活性，增强其吸附能力。采用的无机阳离子插层剂一般是聚合羟基阳离子包括Al、Zr、Ti、Cr、Fe、Si、Ni、Cu、V、Co等或其复合型，最常用的是具有较大体积和较高电荷的Al和Zr。

②有机层柱黏土矿物对黏土矿物进行有机改性是由于天然黏土矿物存在大量可交换的亲水性无机阳离子，使实际黏土表面常存在一层薄的水膜，因而不能有效地吸附疏水性有机污染物。这时需要对黏土矿物进行有机物改性，通常采用有机阳离子，通过离子交换，把黏土矿物中原先存在的无机阳离子置换出来，使其成为疏水性有机黏土，这样增加了黏土矿物的疏水性，增强了去除疏水性有机污染物的能力。国外采用的有机物种类较广，醇、醚、酮、醛、羧酸、酚、醌、胺、烃、芳香类、酰类、有机硫和磷都有涉及，国内主要集中于季铵盐和胺的研究。

③无机有机复合层柱黏土矿物E.Mortarges等用羟基铝膨润土与聚合环氧乙烷反应得到无机-有机膨润土复合材料，对废水中Cu2+、Hg2+、Cd2+、Ni2+等多种重金属离子有良好的去除效果。张蕾等利用硅钛交联剂与膨润土进行交联反应制备硅钛交联膨润土，并以溴化十六烷基三甲基铵(CTMAB)改性，制成CTMAB-Si-Ti膨润土，用其处理造纸黑液，对COD吸附容量高达549.3mg/g。这些表明无机-有机复合交联黏土矿物具有更好的吸附效果和更为广泛的应用范围。

改性实例1：接枝聚丙烯腈

用pH=3.0的乙酸水溶液，将偶联剂KH-570配成2%的溶液。将酸活化的凹凸棒黏土制成2%悬浮液后，加入到上述水解后的偶联剂溶液中，加热回流1h，产物通过离心分离，用去离子水洗至pH=7.0，后用无水乙醇洗涤数次，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)中通入氩气排氧处理30min后，加入0.0548g过硫酸钾，搅拌溶解后向其中加入改性凹凸棒黏土0.80g和丙烯腈10mL，升温至60℃反应5h(整个过程都在氩气保护下进行)。将离心处理得到的产物后置于DMF中反复超声分散，直至离心后的清液倾入去离子水中无白色沉淀产生，此时反应中形成的均聚物被完全除去。将产物用无水乙醇洗涤数次，在真空干燥箱中40℃干燥5h，得到聚丙烯腈接枝凹土(PAN-ATP)。

将接枝产物用1mol/L的NaOH溶液在80℃下皂化反应1.5h，所得产物通过离心分离后，在40℃干燥5h,得到皂化接枝改性凹土(Sap-ATP)。

改性实例2：氯化镧改性黏土

取500mL、2%(质量分数)的LaCl3水溶液(起始pH值为8.3)，加入10g黏土矿物样品。所得混合液在20℃下，恒温振荡48h。然后再将混合液在2×105Pa的压力条件下蒸煮1h。冷却后，用中速定性滤纸过滤(用超纯水充分洗涤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，经100℃下烘干，研磨过180目筛，粒度小于74μm。

改性实例3：微波改性凹凸棒黏土

a.凹土预处理将实验用凹土进行机械粉碎，加入4%的稀盐酸进行酸活化处理：将4%的盐酸加入提纯坡缕石土中，使矿浆中固体(质量)与液体(体积)的比为1：5，搅拌活化2h。活化完成后将改性土洗涤至pH值为7左右，并于恒温烘箱中105℃烘干，粉碎至200目，备用。

b.凹土热活化称取一定量的凹土于陶瓷坩埚中，置于SRJX-2-9型箱型电阻炉内进行热活化，进一步提高凹凸棒石的活化程度和吸附程度。实验中对凹土进行2h的热活化，活化温度300℃，反应在SRJX-2-9型箱型电阻炉中进行。

c.凹土钠化称取一定量热活化凹土，配成15%的矿浆，加入4%的NaCl钠化2h。

d.凹土微波有机改性实验对物理改性的凹土继续进行有机改性。传统的有机改性仅是通过机械搅拌或超声波分散处理进行，改性时间长，改性不充分。而采用微波有机改性的方法，不但操作简便，而且与传统方法相比较，可明显加快反应过程，缩短活性凹土的制备时间，节约能源。实验采用WF-4000型微波快速反应器，反应在100Hz、80℃下，10min即可完成有机改性，既缩短了改性时间，改性剂又能更好地插入到凹凸棒石的层链结构中，提高其吸附性能。

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