兰州化物所凹凸棒石基功能吸附材料研究获新进展

  多孔材料具有吸附容量大、吸附速率高、易分离和再生等特点,近年来在水体污染治理、选择性分离和富集等方面受到高度关注。但传统多孔吸附材料制备需要惰性气氛保护、加热聚合、预烘干、造粒、烘干等步骤,过程复杂且能耗较高,成为制约多孔吸附材料规模化应用的难题之一。针对日益复杂和多样化废水处理以及稀贵金属离子的精准分离对多功能吸附材料的需求,vic115维多利亚甘肃省黏土矿物重点实验室在黏土矿物基功能吸附材料研究领域取得新进展。
  凹凸棒石具有独特的一维形貌、规整的孔道结构和表面性质,团队采用水溶液分散聚合一步法构筑了粒状系列有机/无机复合吸附材料,利用表面活性剂协同功能化黏土矿物稳定的乳液模板,发展了系列多级孔结构的粒状吸附材料(J. Environ. Sci., 2020, 88, 217.),实现了对阳离子染料的高效去除(Chemosphere, 2020, 259, 126949.)、稀土离子有效分离(Front. Chem., 2020, 8, 398.)和稀散元素高效富集(J. Clean. Pro., 2020, 277, 124092.)。然而制备过程中合成表面活性剂的二次污染问题仍没有解决。
  天然植物中表面活性物质具有毒性低和易生物降解等优点。五倍子含有的单宁和皂苷具有类表面活性剂性质。研究人员采用凹凸棒石和五倍子协同稳定Pickering泡沫为模板(图1),构筑的多孔吸附材料对灿烂绿和金霉素吸附容量分别达到940 mg/g和466 mg/gMater. Today Sustain., 2023, 21, 100315)。此外,以黄芪协同凹凸棒石稳定水基泡沫构筑的多孔材料对甲基紫和亚甲基蓝吸附容量分别达到709 mg/g和703 mg/g(图2)(J. Environ. Sci., 2023, 127, 855-865.)。
1 凹凸棒石和五倍子协同稳定Pickering泡沫构筑多孔吸附材料
2 凹凸棒石和黄芪协同稳定Pickering泡沫构筑多孔吸附材料
  在稳定两相不相容界面研究中,黏土矿物稳定Pickering泡沫中晶体结构影响往往被忽略。研究人员开展了无患子和草酸溶蚀不同时间凹凸棒石对稳定泡沫影响规律的研究。随着酸蚀时间的增加,无患子改性后凹凸棒石接触角逐渐增大,从连续相转移到Pickering泡沫的空气-水界面(图3)。当凹凸棒石晶体结构较完整时,多孔材料对低浓度染料具有优异的去除率,随着酸蚀时间增加对高浓度染料具有吸附优势,最大吸附量为953mg/g。该研究为认知黏土矿物结构缺陷对Pickering泡沫稳定性及其多孔材料的可控构筑提供了新认识(Chem. Eng. J., 2023, 474, 145942.)。
3 凹凸棒石结构演化对多孔吸附材料性能影响
  在吸附材料研究过程中,再生应用一直是“被”研究的问题,但脱附液怎么处置基本上“秘而不谈”,很少涉及资源化再利用。无患子为天然非离子型表面活性剂,溶出物质对凹凸棒石改性后在连续相中形成三维网络结构,显著提高了泡沫的稳定性,制备的多孔材料对四环素和氯霉素吸附量分别达到620mg/g和538mg/gJ. Clean. Prod., 2023, 416, 137757.)。将吸附有机物的复合材料,在400°C无氧炭化得到的凹凸棒石生物炭对Cd2+具有良好的“固定”作用,用于土壤修复可促进植物生长(图4)。
  近期,研究人员进一步利用党参和凹凸棒石协同稳定制备的多孔材料对阳离子染料甲基紫和亚甲基蓝的吸附量分别可达到756 mg/g和558 mg/g。废吸附剂经碳化工艺再加入盆栽试验中(图5),总生物量可提高86.42%J. Environ. Sci., 2024, 137, 395-406.),同时对土壤盐碱有一定的抑制作用。该策略践行了黏土矿物“源于自然、用于自然、融于自然”的可持续发展理念,为吸附材料与环境可持续协调发展及盐碱地改良提供了应用支撑。
4 凹凸棒石和无患子协同稳定水基泡沫构筑多孔吸附材料及其矿物生物炭用于土壤修复
5 凹凸棒石和党参协同稳定水基泡沫构筑多孔吸附材料及其矿物生物炭用于植物生长
  上述工作得到了国家自然科学基金、甘肃省自然科学基金、甘肃省优秀博士生和甘肃省基础研究创新群体等项目的支持。
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