埃洛石是一種具層狀結(jié)構(gòu)的1:1型鋁硅酸鹽礦物，是高嶺石的水合多型礦物，由于結(jié)晶條件和地質(zhì)產(chǎn)出環(huán)境的差異，埃洛石具有不同的蝕變程度和水合狀態(tài)，可呈管狀、球狀、片狀等多種形貌，但以管狀形貌最為常見。
由于具有儲量豐富、廉價(jià)易得、環(huán)境相容性好、比表面積大、表面基團(tuán)豐富和吸附效率高等特點(diǎn)，以及獨(dú)特介孔型管狀內(nèi)腔和帶不同電荷的內(nèi)、外表面，HNT已被廣泛用于環(huán)境污染修復(fù)領(lǐng)域，不僅可以直接用于污染物的吸附固定，還可用于多種有機(jī)污染物的催化降解。
埃洛石和地開石同屬于高嶺石族1:1型粘土礦物，其結(jié)構(gòu)單元層由1層硅氧四面體(T)和鋁氧八面體(O)組成。埃洛石結(jié)構(gòu)單元層間為1層水分子，由于水分子層的存在使得相鄰單元層無法通過氫鍵維持平衡，因此埃洛石的結(jié)構(gòu)單元層通過卷曲消除結(jié)構(gòu)應(yīng)力（硅氧四面體和鋁氧八面體尺寸不匹配導(dǎo)致產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力），形成多壁卷曲納米管結(jié)構(gòu)；地開石層狀結(jié)構(gòu)具有二維相互連通的通道，即T和O共用一個(gè)氧原子，每兩個(gè)相鄰的層遵循TO-TO模式的排列，并由氫鍵連接，這為埃洛石向地開石的聚合轉(zhuǎn)化提供了可能。
近日，華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院吳平霄教授團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，埃洛石與偏硅酸鈉在水熱條件下可以發(fā)生聚合反應(yīng)，反應(yīng)過程中外源硅與埃洛石內(nèi)表面鋁羥基反應(yīng)，導(dǎo)致埃洛石管逐層展開，生成地開石。埃洛石地開石化過程中，原埃洛石結(jié)構(gòu)中Al-O-Si鍵斷裂，形成/暴露了更多的鋁羥基基團(tuán)，這極大地增強(qiáng)了埃洛石對Pb2+、Cd2+和Cr3+的去除能力(圖1)。
圖1.展開埃洛石管形成地開石及其固定重金屬過程示意圖
本研究通過引入偏硅酸鈉作為外源硅，對埃洛石向地開石的聚合轉(zhuǎn)化展開了研究。隨著偏硅酸鈉比例逐漸增大，偏硅酸鈉優(yōu)先與埃洛石內(nèi)表面鋁羥基作用，在管口形成小球并逐漸變大, 形成均勻分布的金針菇狀材料。部分埃洛石管上面的小球，從孔口延伸到空心管的中間逐漸斷裂，擴(kuò)張成片層狀，最終形成較大的球體。透射電鏡結(jié)果清晰地展示了埃洛石管逐層打開再聚合轉(zhuǎn)化為地開石的反應(yīng)過程，轉(zhuǎn)化后埃洛石的晶格條紋展現(xiàn)出了與XRD對應(yīng)的特征晶面和晶格間距，進(jìn)一步表明偏硅酸鈉與埃洛石的聚合反應(yīng)導(dǎo)致埃洛石成功地轉(zhuǎn)化為地開石(圖2)。
圖2.埃洛石管逐漸打開形成地開石的轉(zhuǎn)化過程
與埃洛石相比，地開石具有更加豐富的羥基和接觸位點(diǎn)、更大的比表面積，表面位點(diǎn)表現(xiàn)出更高的活性。吸附實(shí)驗(yàn)表明，相對于埃洛石原礦，轉(zhuǎn)化后形成的地開石對Pb2+、Cd2+和Cr3+的吸附能力分別提高了近20倍、12倍和10倍；其對Pb2+、Cd2+和Cr3+的吸附行為符合二級動(dòng)力學(xué)，吸附等溫模型符合Langmuir模型，這表明三種重金屬離子在地開石表面主要是單層吸附(圖3)。因此，將埃洛石地開石化，顯著提高了其對有毒金屬離子的去除能力。
圖3.地開石對重金屬的吸附動(dòng)力學(xué)和等溫模型
圖4.地開石對重金屬的吸附機(jī)理
對吸附后的產(chǎn)物分析表明，Pb2+、Cd2+和Cr3+分別以鋁鉛硅酸鹽，鋁硅酸鹽鎘，鉻氧化鋁的形式被固定。固定后地開石表面鋁羥基的伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)出現(xiàn)了明顯的變化(圖4)，表明地開石對重金屬的吸附機(jī)理主要是介孔配位和羥基絡(luò)合作用。
綜上，埃洛石的地開石化技術(shù)，旨在打開其管狀結(jié)構(gòu)，使更多的活性基團(tuán)暴露出來，用于去除重金屬污染，研究結(jié)果為擴(kuò)大埃洛石等粘土礦物在毒性重金屬去除領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要的技術(shù)參考。
資料來源：Applied Clay Science
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