ZnO/锂皂石复合材料的制备和吸附性能研究

马健岩，许 峰，徐东明

(沈阳建筑大学材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110168)

1 引言

硅酸镁锂，即锂皂石，是一种人工合成的三八面体层状胶体材料，在水体系中具极强的成胶性能，具有优异的触变性、分散性、悬浮性和增稠性[1]。锂皂石加入水中，能很快膨胀，形成包含大量水网络结构的凝胶，具有较好的触变性、分散性、悬浮性和增稠性以及优异的吸附性和离子交换性[2-8]。本文采用锂皂石与氧化锌复合的方法来提高吸附效率，改善复合材料的吸附性能。采用扫描电镜，红外光谱等分析手段对氧化锌/锂皂石复合材料进行表征，以亚甲基蓝为模拟有机污染物，对氧化性/锂皂石复合材料的吸附性能进行研究，探讨了不同因素对吸附效果的影响，并深入研究吸附动力学等问题。

2 实验

2.1 实验原料

六水合硝酸锌，碳酸钠，锂皂石，亚甲基蓝均为分析纯化学试剂。

2.2 ZnO/锂皂石复合材料的制备

室温下，将硝酸锌溶液缓慢滴加至等浓度加有一定量锂皂石的碳酸锌溶液中，充分搅拌1h，形成均匀的白色絮状物；用蒸馏水清洗三次，干燥研磨300℃焙烧。

2.3 ZnO/硅藻土复合材料的表征

2.3.1 X射线衍射(XRD)

样品的晶相结构的表征采用德国Bruker D8 Advance型X射线衍射分析仪(Cu Kα射线，λ=0.15406nm，电压40kV，电流40mA，石墨单单色器，扫描速率4°/min)。扫描范围10°～70°。

2.3.2 扫描电镜(SEM)

实验中采用的扫描电镜为日立S4800场发射扫描电镜。

2.3.3 红外光谱(IR)

美国Perkin Elmer Spectrum One红外光谱仪，溴化钾压片。

2.4 亚甲基蓝溶液的吸附实验

取一定量的吸附剂分散到预定浓度的亚甲基蓝溶液中,搅拌一定时间,抽滤,测滤液的吸光度。 精确称取 0.05 g干燥的氧化锌/锂皂石复合材料放入具塞烧杯中,分别加入 50 mL10mg/L亚甲基蓝溶液,在室温下电磁搅拌,达吸附平衡后,离心过滤并取上清液,用分光光度计在 664 nm 处测定溶液的吸光度。

3 结果与讨论

3.1 氧化锌/锂皂石复合材料的制备

氧化锌的XRD图见图1。氧化锌的XRD图与标注图谱JCPDS卡片5-0664一致，说明通过直接沉淀法制得了ZnO，属六方晶系。

图1 氧化锌的XRD图

氧化锌/锂皂石复合材料的扫描电镜图见图2。 由图2(a)可以看出锂皂石表面结构为片层状但比较致密。由图2(b)可以看出氧化锌粒子团聚较为严重，这种团聚结构影响其比表面积和吸附效率。图2(c)为锂皂石负载ZnO的表面形貌。从图中可以发现氧化锌复合锂皂石后片层结构的层面更丰富，复合材料具有更大的比表面积。

氧化锌/锂皂石复合材料的红外光谱图见图3。由图3(a)看出在氧化锌的红外光谱曲线，a曲线中未出现碱式碳酸锌的特征吸收峰， 478cm-1处是氧化锌的本征晶格吸收峰。图3(b)1010 cm-1处吸收峰归属于锂皂石的硅氧四面体[SiO4]的Si-O伸缩振动，该峰为锂皂石的要特征之一，反映了锂皂石层状结构和层间区域完整程度。1028cm-1对应Li-OH 的伸缩振动；675cm-1对应Li-O 的伸缩振动；654 cm-1处的吸收峰是镁皂石的独特吸收峰，归属于Mg-O-Mg的弯曲振动；465 cm-1处的吸收峰则是归属于Si-O-Mg的变形振动。 在(c)曲线中可以看出用锂皂石表面修饰后的复合材料在1457cm-1处出现一个Zn-O键的振动吸收峰，在1010 cm-1处的吸收峰是归属于锂皂石的硅氧四面体[SiO4]的Si-O伸缩振动，证明氧化锌已与锂皂石发生反应并且复合。

(a) 纯氧化锌；(b) 纯锂皂石；(c) 氧化锌/锂皂石复合材料

3.2 吸附性能研究

从图4中可以看出，氧化锌对亚甲基蓝没有吸附效果，锂皂石对亚甲基蓝具有一定吸附效果，但30 min吸附平衡时，溶液中亚甲基蓝的浓度在9mg/L ,吸附效率较低。当吸附物质为氧化锌与锂皂石的复合材料时，经过30 min的吸附，溶液的吸光度几乎均降至零左右，吸附效果好于纯氧化锌与锂皂石。这一结果表明氧化锌与锂皂石复合后，改变了两者的表面物理性质，增加对亚甲基蓝的吸附性能，原因待进一步实验探索。含30%ZnO的复合材料吸附性能最佳。

3.3 吸附动力学研究

不同比例实验样品对亚甲基蓝溶液的吸附是动力学一级反应，其动力学也可以以下面的公式表示：

ln(C0/Ct)=kt

(1)

其中k是表观速率常数，它与t成线性关系，通过对时间t的线性方程可以计算出k值的大小。经计算得到kZnO=0，k锂皂石=1.88×10-2，kZnO/锂皂石(30%ZnO) = 16.4×10-2，可以看出经过锂皂石表面改性的氧化锌样品的表观速率常数明显大于氧化锌及锂皂石。

(a) 纯氧化锌； (b) 锂皂石；(c) 氧化锌/锂皂石复合材料(含氧化锌10%)；(d) 氧化锌/锂皂石复合材料(含氧化锌40%)；(e)氧化锌/锂皂石复合材料(含氧化锌20%)；(f) 氧化锌/锂皂石复合材料(含氧化锌30%)

4 结论

(1)通过直接沉淀法制备了ZnO/锂皂石复合材料。通过扫描电镜、红外光谱和XRD证明，复合材料中氧化锌的晶型没有发生改变，复合材料中氧化锌分布均匀，没有团聚。

(2)复合材料对亚甲基蓝的吸附效果好于纯氧化锌与锂皂石，相关机理需进一步探索。