介紹
硅酸鎂鋁具有特定的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由TO4四面體連接而成，這些四面體是構(gòu)建硅酸鹽骨架的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元，也被稱為構(gòu)筑單元(Building unit, BU)。表面含有的羥基(-OH)和硅氧基(-Si-O-)等基團(tuán)，可以與金屬離子發(fā)生絡(luò)合、配位或靜電作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬離子的吸附。它是一種含有Si、Mg、Al等元素的無(wú)機(jī)硅酸鹽，呈現(xiàn)出由鋁鎂氧八面體和硅氧四面體構(gòu)成的三維片狀結(jié)構(gòu)，在吸附材料、催化劑、藥物載體、化妝品等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
圖一 硅酸鎂鋁
獲得途徑
硅酸鎂鋁的制備方法主要有礦物提取法、溶液沉淀法和水熱合成法。目前多通過(guò)從凹凸棒黏土中提取來(lái)獲得硅酸鎂鋁，但此方法成本較高，且硅酸鎂鋁比表面積較小、吸附效率低。以人工合成法通過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)控可同步提升材料比表面積與吸附活性，以水熱合成法制備了一種硅酸鎂鋁復(fù)合納米材料吸附材料，其比表面積達(dá)到179.1 m2/g, 可以通過(guò)配位作用吸附鉛離子。采用水熱合成法制備的硅酸鎂鋁分散度較好、純度高、形貌均勻。
將100 mL濃度為0.35 mol/L的MgCl2水溶液逐滴加至100 mL濃度為0.45 mol/L的NaSiO3水溶液中，攪拌時(shí)間為30 min, 反應(yīng)結(jié)束后得到白色懸濁液1;將不同體積(見(jiàn)表1)濃度為0.35 mol/L的AlCl3水溶液逐滴滴入白色懸濁液1中，攪拌時(shí)間為20 min, 反應(yīng)結(jié)束后得到白色懸濁液2;將白色懸濁液2移入聚四氟乙烯反應(yīng)釜，放入烘箱中進(jìn)行水熱反應(yīng)，烘箱溫度為120 ℃,反應(yīng)時(shí)間為18 h。反應(yīng)結(jié)束后進(jìn)行離心、洗滌、烘干，得到白色塊狀固體，研磨后得到的白色粉末即為不同鎂鋁比的硅酸鎂鋁吸附材料。硅酸鎂和硅酸鋁的制備流程同上，只需去除相應(yīng)不必要的原料即可。
圖二 硅酸鎂鋁制備示意圖
吸附機(jī)理
硅酸鎂鋁主要通過(guò)物理吸附、靜電吸引和化學(xué)吸附3種主要機(jī)制來(lái)去除雜質(zhì)過(guò)渡金屬離子，硅酸鎂鋁表面具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和較高的比表面積，過(guò)渡金屬離子可以在其表面或者孔隙中沉積，從而實(shí)現(xiàn)物理吸附。物理吸附是一個(gè)可逆過(guò)程，主要通過(guò)范德華力或其他弱相互作用力實(shí)現(xiàn)，雖然這些相互作用較弱，但由于硅酸鎂鋁的高比表面積，可顯著提升吸附效率。此外，物理吸附的可逆性表明在適當(dāng)?shù)臈l件下，吸附的金屬離子能夠被再次釋放，這為硅酸鎂鋁的再生和重復(fù)使用提供了可能。
靜電吸引是硅酸鎂鋁吸附的重要機(jī)制之一，硅酸鎂鋁表面帶負(fù)電荷(電勢(shì)為-44.4 mV)，這使其對(duì)帶正電荷的過(guò)渡金屬離子(Fe(Ⅲ)、Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ))具有強(qiáng)烈的吸附能力，靜電吸引是一種非常高效的吸附機(jī)制，能夠快速捕獲大量金屬離子并將其富集于硅酸鎂鋁的表面；硅酸鎂鋁還通過(guò)化學(xué)吸附進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)金屬離子的去除，由FT-IR和XPS表征分析可知硅酸鎂鋁表面富含含氧官能團(tuán)，如-OH、Al-O、Mg-O和Si-O等，這些官能團(tuán)作為電子供體，可與過(guò)渡金屬離子形成牢固的配位鍵。
另一方面，過(guò)渡金屬離子還可能與硅酸鎂鋁表面的Mg-OH、Si-O-H等基團(tuán)中的氫原子發(fā)生酸堿反應(yīng)，生成穩(wěn)定的金屬氫氧根離子并進(jìn)一步被吸附。由于化學(xué)吸附涉及化學(xué)鍵的形成，與物理吸附相比，化學(xué)吸附更牢固、更持久。硅酸鎂鋁憑借其高比表面積、多孔結(jié)構(gòu)、表面負(fù)電荷和豐富的官能團(tuán)，通過(guò)物理吸附、靜電吸引和化學(xué)吸附三重機(jī)制，高效去除過(guò)渡金屬離子[1]。
參考文獻(xiàn)
[1]王建寧,顧艷,王剛強(qiáng),等.硅酸鎂鋁吸附材料去除DSP聚醚中過(guò)渡金屬離子性能研究[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2025,53(05):634-645.