ZnO/鋰皂石復合材料的制備和吸附性能研究

馬健巖，許 峰，徐東明

(沈陽建筑大學材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110168)

1 引言

硅酸鎂鋰，即鋰皂石，是一種人工合成的三八面體層狀膠體材料，在水體系中具極強的成膠性能，具有優(yōu)異的觸變性、分散性、懸浮性和增稠性[1]。鋰皂石加入水中，能很快膨脹，形成包含大量水網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的凝膠，具有較好的觸變性、分散性、懸浮性和增稠性以及優(yōu)異的吸附性和離子交換性[2-8]。本文采用鋰皂石與氧化鋅復合的方法來提高吸附效率，改善復合材料的吸附性能。采用掃描電鏡，紅外光譜等分析手段對氧化鋅/鋰皂石復合材料進行表征，以亞甲基藍為模擬有機污染物，對氧化性/鋰皂石復合材料的吸附性能進行研究，探討了不同因素對吸附效果的影響，并深入研究吸附動力學等問題。

2 實驗

2.1 實驗原料

六水合硝酸鋅，碳酸鈉，鋰皂石，亞甲基藍均為分析純化學試劑。

2.2 ZnO/鋰皂石復合材料的制備

室溫下，將硝酸鋅溶液緩慢滴加至等濃度加有一定量鋰皂石的碳酸鋅溶液中，充分攪拌1h，形成均勻的白色絮狀物；用蒸餾水清洗三次，干燥研磨300℃焙燒。

2.3 ZnO/硅藻土復合材料的表征

2.3.1 X射線衍射(XRD)

樣品的晶相結(jié)構(gòu)的表征采用德國Bruker D8 Advance型X射線衍射分析儀(Cu Kα射線，λ=0.15406nm，電壓40kV，電流40mA，石墨單單色器，掃描速率4°/min)。掃描范圍10°～70°。

2.3.2 掃描電鏡(SEM)

實驗中采用的掃描電鏡為日立S4800場發(fā)射掃描電鏡。

2.3.3 紅外光譜(IR)

美國Perkin Elmer Spectrum One紅外光譜儀，溴化鉀壓片。

2.4 亞甲基藍溶液的吸附實驗

取一定量的吸附劑分散到預定濃度的亞甲基藍溶液中,攪拌一定時間,抽濾,測濾液的吸光度。 精確稱取 0.05 g干燥的氧化鋅/鋰皂石復合材料放入具塞燒杯中,分別加入 50 mL10mg/L亞甲基藍溶液,在室溫下電磁攪拌,達吸附平衡后,離心過濾并取上清液,用分光光度計在 664 nm 處測定溶液的吸光度。

3 結(jié)果與討論

3.1 氧化鋅/鋰皂石復合材料的制備

氧化鋅的XRD圖見圖1。氧化鋅的XRD圖與標注圖譜JCPDS卡片5-0664一致，說明通過直接沉淀法制得了ZnO，屬六方晶系。

圖1 氧化鋅的XRD圖

氧化鋅/鋰皂石復合材料的掃描電鏡圖見圖2。 由圖2(a)可以看出鋰皂石表面結(jié)構(gòu)為片層狀但比較致密。由圖2(b)可以看出氧化鋅粒子團聚較為嚴重，這種團聚結(jié)構(gòu)影響其比表面積和吸附效率。圖2(c)為鋰皂石負載ZnO的表面形貌。從圖中可以發(fā)現(xiàn)氧化鋅復合鋰皂石后片層結(jié)構(gòu)的層面更豐富，復合材料具有更大的比表面積。

氧化鋅/鋰皂石復合材料的紅外光譜圖見圖3。由圖3(a)看出在氧化鋅的紅外光譜曲線，a曲線中未出現(xiàn)堿式碳酸鋅的特征吸收峰， 478cm-1處是氧化鋅的本征晶格吸收峰。圖3(b)1010 cm-1處吸收峰歸屬于鋰皂石的硅氧四面體[SiO4]的Si-O伸縮振動，該峰為鋰皂石的要特征之一，反映了鋰皂石層狀結(jié)構(gòu)和層間區(qū)域完整程度。1028cm-1對應Li-OH 的伸縮振動；675cm-1對應Li-O 的伸縮振動；654 cm-1處的吸收峰是鎂皂石的獨特吸收峰，歸屬于Mg-O-Mg的彎曲振動；465 cm-1處的吸收峰則是歸屬于Si-O-Mg的變形振動。 在(c)曲線中可以看出用鋰皂石表面修飾后的復合材料在1457cm-1處出現(xiàn)一個Zn-O鍵的振動吸收峰，在1010 cm-1處的吸收峰是歸屬于鋰皂石的硅氧四面體[SiO4]的Si-O伸縮振動，證明氧化鋅已與鋰皂石發(fā)生反應并且復合。

(a) 純氧化鋅；(b) 純鋰皂石；(c) 氧化鋅/鋰皂石復合材料

3.2 吸附性能研究

從圖4中可以看出，氧化鋅對亞甲基藍沒有吸附效果，鋰皂石對亞甲基藍具有一定吸附效果，但30 min吸附平衡時，溶液中亞甲基藍的濃度在9mg/L ,吸附效率較低。當吸附物質(zhì)為氧化鋅與鋰皂石的復合材料時，經(jīng)過30 min的吸附，溶液的吸光度幾乎均降至零左右，吸附效果好于純氧化鋅與鋰皂石。這一結(jié)果表明氧化鋅與鋰皂石復合后，改變了兩者的表面物理性質(zhì)，增加對亞甲基藍的吸附性能，原因待進一步實驗探索。含30%ZnO的復合材料吸附性能最佳。

3.3 吸附動力學研究

不同比例實驗樣品對亞甲基藍溶液的吸附是動力學一級反應，其動力學也可以以下面的公式表示：

ln(C0/Ct)=kt

(1)

其中k是表觀速率常數(shù)，它與t成線性關(guān)系，通過對時間t的線性方程可以計算出k值的大小。經(jīng)計算得到kZnO=0，k鋰皂石=1.88×10-2，kZnO/鋰皂石(30%ZnO) = 16.4×10-2，可以看出經(jīng)過鋰皂石表面改性的氧化鋅樣品的表觀速率常數(shù)明顯大于氧化鋅及鋰皂石。

(a) 純氧化鋅； (b) 鋰皂石；(c) 氧化鋅/鋰皂石復合材料(含氧化鋅10%)；(d) 氧化鋅/鋰皂石復合材料(含氧化鋅40%)；(e)氧化鋅/鋰皂石復合材料(含氧化鋅20%)；(f) 氧化鋅/鋰皂石復合材料(含氧化鋅30%)

4 結(jié)論

(1)通過直接沉淀法制備了ZnO/鋰皂石復合材料。通過掃描電鏡、紅外光譜和XRD證明，復合材料中氧化鋅的晶型沒有發(fā)生改變，復合材料中氧化鋅分布均勻，沒有團聚。

(2)復合材料對亞甲基藍的吸附效果好于純氧化鋅與鋰皂石，相關(guān)機理需進一步探索。