水滑石類堿式鹽吸附性能的研究進(jìn)展

彭 彬

(新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

水滑石因為其特有的陰離子交換能力、高的比表面積、熱穩(wěn)定性以及廉價的特點，在多個領(lǐng)域得到了重要的應(yīng)用，包括催化[1-2]、醫(yī)藥[3]、吸附[4-6]。近年來，水滑石在吸附領(lǐng)域得到廣泛的關(guān)注，處理水中重金屬離子及一些有害的陰離子，水中含量超標(biāo)的重金屬離子不僅對環(huán)境造成破壞還嚴(yán)重危害人類的健康[7]。常見有效去除水中重金屬的方法包括絮凝、化學(xué)沉淀、膜過濾、溶劑萃取、離子交換和吸附，其中，吸附被認(rèn)為是去除水中重金屬最經(jīng)濟(jì)有效的方法[8]。

水是人類生存必不可少的物質(zhì)，而我國水資源嚴(yán)重不足，每年造成的水體污染嚴(yán)重，處理污水最經(jīng)濟(jì)有效的方法是吸附法，常見的吸附劑有活性炭、硅膠、活性氧化鋁、天然黏土等。近些年來，水滑石因為其具有良好的吸附性能而引起了廣泛的關(guān)注，相比于其他吸附劑，水滑石價格低廉、綠色環(huán)保、吸附能力強(qiáng)、易于改性。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過焙燒后的水滑石失去層間的水分子和陰離子，釋放更多的活性位點，導(dǎo)致它的吸附能力大大增強(qiáng)，所以，研究者從吸附的條件出發(fā)研究其對離子吸附的效果。文章主要從吸附溶液的溫度、pH值、吸附劑投量以及吸附機(jī)理和吸附熱力學(xué)進(jìn)行了綜述，并對水滑石在廢水處理上的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析。

1 影響水滑石吸附能力的因素

水滑石相對于傳統(tǒng)的吸附劑擁有較大的吸附容量[9-10]，但是它的吸附能力也受到諸多因素的影響。水滑石常用于處理廢水中的污染物，在廢水體系中，它的吸附能力受到溶液溫度、pH值、吸附劑投量、共存離子的影響。通過研究這些因素下水滑石的吸附能力能夠為處理廢水提供參考及節(jié)約廢水處理成本，對工業(yè)上處理廢水具有重大意義。

1.1 溫度

溫度是影響水滑石吸附能力的一個重要參數(shù)，隨著溫度的升高，水滑石的吸附能力先增加后趨于穩(wěn)定。溫度升高，溶液中離子的擴(kuò)散速度加快，水滑石的吸附能力增加，隨著溫度的進(jìn)一步增加，吸附能力沒有明顯提高，這可能是由于吸附達(dá)到了一個動態(tài)平衡。

Chao-Rong Chen[11]等以鎂鋁混合氧化物作為前驅(qū)體，在葡萄糖存在的前提下合成了鎂鋁水滑石/炭復(fù)合材料(記做MgAlO-C)，研究其對Cr(VI)的吸附，MgAlO-C對Cr(VI)的吸附量隨著吸附溫度的增加而增加，在前30 min內(nèi)吸附較快，之后吸附速度降低，在50 min時吸附達(dá)到平衡。表明吸附溫度對吸附達(dá)到平衡的時間沒有影響。溫度升高，單位質(zhì)量的吸附劑吸附量有所增加，在50 ℃時的吸附量幾乎是20 ℃時的兩倍。之所以溫度對吸附達(dá)到平衡的時間沒有影響，筆者認(rèn)為物理吸附為該吸附過程的速率控制步。吸附量隨溫度的增加而增加，可能是溫度升高，使得復(fù)合材料發(fā)生了一些反應(yīng)，改變了炭的比表面積。N. Daneshvar[12]等發(fā)現(xiàn)溫度可能對吸附過程主要有兩個影響。一是溫度升高導(dǎo)致溶液黏度降低，這將有利于重金屬離子的擴(kuò)散。二是改變溫度會改變平衡時吸附劑的吸附容量。第二個影響在Hui Zhang[13]等的研究中得到了印證。

1.2 pH值

水滑石是堿性的，pH值對溶液中水滑石的吸附性能有顯著的影響。在低的pH值下吸附劑可能發(fā)生溶解，在高的pH值條件下，溶液中的OH-會形成競爭吸附，過高或過低的pH值都不利于吸附劑的吸附。因此，多數(shù)情況下水滑石吸附有害離子的最佳pH值為6左右。

1.3 吸附劑投量

吸附劑投加量的多少對吸附容量和吸附效率都有很大的影響，廢水中存在的有害離子數(shù)量大，考慮到吸附劑的吸附效率有限，增加吸附劑投量可以提高有害離子的吸附量，從而將廢水中有害離子降低到一個安全的濃度范圍之內(nèi)。吸附劑投加量能夠預(yù)測到處理廢水中污染物的成本，對工業(yè)處理廢水具有重要的指導(dǎo)意義。

Lin Deng[21]等采用共沉淀法在高嶺土上負(fù)載鎂鋁水滑石，合成改性高嶺土，用于研究對水溶液中磷酸鹽的吸附性作用。在考察吸附劑投量對吸附的影響時，得出當(dāng)吸附劑用量從0 g/mL增加到0.2 g/50 mL時，吸附量逐漸增加，進(jìn)一步增加吸附劑投量吸附量基本保持不變，因為更高的吸附劑用量提供了更大的比表面積和更多的吸附位點，但是在0.2 g/50 mL時，幾乎吸附達(dá)到了平衡，進(jìn)一步增加吸附劑投量，只會造成成本的浪費。

1.4 共存離子

2 吸附機(jī)制

研究水滑石吸附水中污染物的機(jī)理對研究新型吸附劑具有重要作用。水滑石吸附水中重金屬離子和無機(jī)陰離子的機(jī)理不同，為了探討水滑石的吸附機(jī)理，許多學(xué)者都進(jìn)行了大量的實驗研究，運用各種技術(shù)手段對吸附前后的產(chǎn)物進(jìn)行表征以探明其吸附過程中吸附劑的微觀形態(tài)變化。

Bo Zhang[23]等通過對水滑石改性以獲得更大的比表面積，研究改性后的水滑石對水溶液中Cr(VI)的吸附作用，發(fā)現(xiàn)可能的吸附機(jī)理是吸附劑與金屬離子之間的靜電引力以及金屬離子與吸附劑表面的羥基結(jié)合。Na Tian[24]等對鎂鋁層狀雙氫氧化物煅燒得到具有尖晶石結(jié)構(gòu)的金屬氧化物用于吸附地下污染水中的亞硒酸鹽。得出吸附除了亞硒酸鹽在焙燒水滑石的表面上吸附和離子交換過程中，大部分的亞硒酸鹽通過嵌入到層間區(qū)域而被去除。Lijun Wang[25]等通過水滑石沉淀轉(zhuǎn)化法去除水中Pb2+。Elisabetta Dore[26]等研究煅燒和未煅燒的層狀雙氫氧化物對銻的吸附，發(fā)現(xiàn)煅燒的和未煅燒的吸附機(jī)理不同，第一種是通過層間吸附銻，第二種通過形成形成類似于白云母狀的新相而除去銻。Tomohito Kameda[27]等發(fā)現(xiàn)金屬離子主要通過螯合作用去除。M.A. González[28]等將腐植酸(HA)插入到水滑石中間，合成具有螯合作用的Mg-Al-HA LDH，去除Cu2+，Pb2+，Cd2+。目前吸附機(jī)制還沒有一個統(tǒng)一的說法，去除機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

3 吸附熱力學(xué)分析

吸附分兩種類型:第一種物理吸附，第二種化學(xué)吸附。吸附過程中必然伴隨著能量的變化，通過對熱力學(xué)數(shù)據(jù)的計算分析可以判斷吸附是化學(xué)吸附還是物理吸附，根據(jù)能量的大小，化學(xué)吸附所需要的能量大，物理吸附所需能量小，熱力學(xué)分析可以判斷吸附的類型及吸附反應(yīng)發(fā)生的難易程度大小。通過對熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計算，判斷吸附反應(yīng)是否自發(fā)或者吸熱，對焓變，熵變及自由能等參數(shù)的計算，焓變值的正負(fù)在一定程度上也可以預(yù)測出溫度對吸附的影響，焓變大于零，溫度升高有利于吸附，反之不利于吸附。熵變判定體系混亂度的大小，自由能的正負(fù)關(guān)系到吸附反應(yīng)是否自發(fā)。

Wenqing Ma[29]等合成水滑石類化合物研究除氟性能，對氟化鈉的吸附熱力學(xué)參數(shù)計算得出該吸附過程是自發(fā)的吸熱反應(yīng) 。水滑石對大多數(shù)金屬離子或是無機(jī)陰離子的吸附都是自發(fā)的吸熱反應(yīng)。Chao-Rong Chen[30]等以鎂鋁混合氧化物為前驅(qū)體，在葡萄糖的存在下合成了鎂鋁水滑石/炭復(fù)合材料(記做LDH/C)，研究對Cr(Ⅵ)的吸附性能。研究熱力學(xué)數(shù)據(jù)同樣表明該吸附過程為自發(fā)的吸熱反應(yīng)。Mohamed Khitous[31]等研究層間陰離子對鎂鋁雙氫氧化物去除Cr(Ⅵ)的影響。通過對熱力學(xué)數(shù)據(jù)分析也表明該吸附過程為自發(fā)的吸熱反應(yīng)。

4 展望

城市生活中排放的污水，以及工業(yè)上排放的廢水，都對生態(tài)環(huán)境造成巨大的污染，為了解決這一問題，必須要對污水進(jìn)行處理，而常見經(jīng)濟(jì)有效的方法就是吸附。水滑石作為一種吸附材料，具有吸附容量大，效率高，操作方便等優(yōu)點，不同方法制備出來的水滑石吸附能力具有一定的差異，而水滑石的制備方法多樣，由于各種方法制備的水滑石形態(tài)和晶體結(jié)晶度不一樣，在吸附領(lǐng)域研究如何快速合成結(jié)晶度高，形狀規(guī)則，比表面積大的水滑石是未來研究的一個方向，還有就是水滑石的再生技術(shù)研究，這關(guān)系到處理廢水的成本，低成本的水處理技術(shù)一直都是研究的一個重點。而水滑石的結(jié)構(gòu)重建能力為水滑石的再生提供了可能。研究水滑石的再生利用必將是今后研究的一個重點。