蒙脫石是一種含少量堿及堿土金屬離子的水合鋁硅酸鹽層狀黏土類礦物,單元層之間的結合力小,水分子和極性分子很容易進入層間區域,因此蒙脫石在溶劑中具有良好的吸附性、可膨脹性、分散性和懸浮性。
近年來,蒙脫石礦物生態環境功能材料已廣泛應用于健康藥物、飼料脫霉材料、有機/重金屬吸附劑、復合相變儲熱材料等領域。
1、健康藥物領域
在蒙脫石礦物結構支柱的[AlO6]八面體中,Al3+可被Mg2+等陽離子同晶置換而形成畸變八面體。為了維持蒙脫石晶體結構的穩定性,結構中[SiO4]四面體會通過旋轉、伸長、扭曲,直至斷鍵的形式予以調正,從而導致多面體中心陽離子裸露,使蒙脫石具有負電吸附特性。蒙脫石能夠通過吸附消化道黏液中的蛋白靜電有效改善黏液質量,提高黏液的內聚力和彈性,從而對消化道黏膜起到修復作用。
此外,由于顆粒表面積大(每克蒙脫石粉劑可覆蓋100~110m2消化道表面),蒙脫石也可以提高黏膜屏障對攻擊因子的防御能力,加強黏膜屏障的作用。因此,蒙脫石對于治療因各種原因導致的腹瀉,以及食管炎、胃炎、消化性潰瘍均有明顯療效。
2、抗菌與飼料脫霉領域
蒙脫石雖無抑菌或殺菌作用,但它對大腸桿菌、霍亂弧菌、空腸彎曲菌、金黃色葡萄球菌、輪狀病毒和膽鹽都有良好的吸附作用。蒙脫石的不均勻帶電性可以使其吸附各種消化道致病因子。例如,采用離子交換法將不同季銨鹽插層到鈉基蒙脫土所制備的改性蒙脫土中,其對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌均有很強的抗菌作用。細菌先吸附到改性蒙脫土的表面,隨著浸泡時間延長,季銨鹽從蒙脫土的層間解吸出來并進入溶液中直接殺死細菌,因此改性蒙脫土的抗菌活性是吸附與釋放到溶液中的季銨鹽離子協同作用的結果。
蒙脫石作為飼料輔助添加劑,憑借其自然性狀和復合功能,在國外已廣泛應用于家畜家禽的養殖。它不僅可以補償動物養分,提高畜禽生產性能,而且對預防禽畜消化道疾病有一定作用。目前,添加蒙脫石已成為在大規模飼料生產中脫霉措施的首選。大量實驗表明,飼料中添加質量分數為0.2%的蒙脫石即可解決飼料中霉菌毒素問題,并且不會吸附飼料中的營養成分。
3、有機污染物與重金屬離子吸附領域
蒙脫石改性后可以作為吸附劑處理各類有毒或難以生物降解的有機物。有機改性蒙脫石去除水中有機物的能力比原石強10~100倍,而且可以有效去除低濃度的有機污染物。
近年來,國內外利用改性蒙脫石在有機/重金屬離子吸附領域開展了大量研究,如利用季銨鹽等陽離子表面活性劑與鈉基蒙脫石作用,經過離子交換將體積較大的有機正離子引入層間,再通過離子交換作用和表面活性劑脂肪鏈的萃取作用吸附有害的有機污染物。
Zheng等通過不同的表面改性劑修飾鈣蒙脫石,對雙酚A的平衡吸附試驗表明,該過程符合準二級動力學過程和Langmuir等溫吸附模型,黏土礦表面的親水性以及添加表面改性劑后產生的帶正電的表面有效提升了其對雙酚A的吸附能力。
Li等通過濕化學與煅燒結合的方法制備了g-C3N4/蒙脫石復合材料,并在可見光照條件下進一步研究了復合材料對水中羅丹明B和鹽酸四環素的降解過程。結果表明,蒙脫石的高效吸附性與g-C3N4良好的光催化降解的協同作用以及靜電作用是復合材料相對于單一g-C3N4有更高光催化降解能力的原因。
蒙脫石也可以直接用于治理重金屬污染土壤,一方面是因為大的比表面積和強的吸附能力使蒙脫石與土壤中的重金屬離子發生交換作用,固定土壤中重金屬離子,抑制其進入植物體內;另一方面,蒙脫石的膨脹性、黏結性以及可塑性使蒙脫石在吸水時形成封閉障礙,可以防止污染物的擴散及滲入,達到有效治理重金屬污染土壤的目的。
蒙脫石經己二胺二硫代氨基甲酸鹽改性后,其表面活性基團與可溶性Cu結合形成的配合物能夠降低Cu的移動性。添加的改性礦物越多,固定的Cu也越多,污染土壤中Cu的修復效果與改性膨潤土的使用量呈正相關。
此外,也有研究者采用蒙脫石吸附水體中Cs+、Yb3+、Eu3+等重金屬離子以及U(Ⅳ)、137Cs等放射性元素。結果表明,在合適的條件下,蒙脫石對上述離子和元素都有較好的吸附固定作用。
利用改性技術強化蒙脫石的吸附性和選擇性也成為蒙脫石礦物的必要處理手段。結合蒙脫石本身的結構特點和水體中污染物種類,能夠有針對性地設計蒙脫石改性路線,制備出聚合物有機功能化改性的蒙脫石復合吸附劑,這將有效實現蒙脫石吸附性能的提升和應用形式的改進,更利于蒙脫石礦物的工業化應用。
4、復合相變儲熱領域
蒙脫石為2∶1型層狀鋁硅酸鹽,層間移動的離子與外界離子可進行交換而不破壞蒙脫石的基本結構,因此賦予了蒙脫石特殊的陽離子交換和膨脹性能,在復合相變儲熱領域具有潛在應用前景。
蒙脫石復合相變儲熱材料的制備方法主要有液相插層和熔融插層,液相插層法反應時間長、工藝復雜,熔融插層法則相對簡單。
王小鵬等采用熔融插層法使石蠟進入蒙脫石的層間結構中,制備了蒙脫土與三水乙酸鈉(SAT)-尿素(Urea)復合材料。在無泄漏的情況下,該復合材料的潛熱能力可以達到132kJ/kg,反復循環相變熱性能穩定,高溫下無液態石蠟滲出。
王月祥等采用液相插層法制備了硬脂酸-月桂酸/蒙脫石復合相變儲能材料,經500次連續循環儲熱/放熱實驗測試后,該材料的相變溫度和相變潛熱變化分別為0.7℃和-3.61J/g,具有良好的儲熱穩定性。
在現階段國內蒙脫石礦物生態環境功能材料的產業發展進程中,蒙脫石的傳統用途消耗比例逐年降低,技術指標逐漸提高;另外,蒙脫石每年都有許多新用途被開發出來,用量比例逐年提高,已經形成了新的增長點。
目前,國內蒙脫石礦物生態環境功能材料的產業發展應立足于降低蒙脫石加工生產能耗、實現綠色環保和高技術化加工的同時,更加注重蒙脫石高純化、納米化、功能化應用,充分利用不同稟賦資源蒙脫石礦物的自身價值,在應用領域細分、產品顆粒形貌及組分精細控制上實現蒙脫石礦物生態環境功能材料產品的多樣化、系列化和精細化。
資料來源:《孫劍鋒,張紅,梁金生,等.生態環境功能材料領域的研究進展及學科發展展望[J].材料導報,2021,35(13):13075-13084.》,由【粉體技術網】編輯整理,轉載請注明出處!
更多精彩!歡迎掃描下方二維碼關注中國粉體技術網官方微信(粉體技術網)
|