水滑石类碱式盐吸附性能的研究进展

彭 彬

(新疆大学 建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)

水滑石因为其特有的阴离子交换能力、高的比表面积、热稳定性以及廉价的特点，在多个领域得到了重要的应用，包括催化[1-2]、医药[3]、吸附[4-6]。近年来，水滑石在吸附领域得到广泛的关注，处理水中重金属离子及一些有害的阴离子，水中含量超标的重金属离子不仅对环境造成破坏还严重危害人类的健康[7]。常见有效去除水中重金属的方法包括絮凝、化学沉淀、膜过滤、溶剂萃取、离子交换和吸附，其中，吸附被认为是去除水中重金属最经济有效的方法[8]。

水是人类生存必不可少的物质，而我国水资源严重不足，每年造成的水体污染严重，处理污水最经济有效的方法是吸附法，常见的吸附剂有活性炭、硅胶、活性氧化铝、天然黏土等。近些年来，水滑石因为其具有良好的吸附性能而引起了广泛的关注，相比于其他吸附剂，水滑石价格低廉、绿色环保、吸附能力强、易于改性。研究发现经过焙烧后的水滑石失去层间的水分子和阴离子，释放更多的活性位点，导致它的吸附能力大大增强，所以，研究者从吸附的条件出发研究其对离子吸附的效果。文章主要从吸附溶液的温度、pH值、吸附剂投量以及吸附机理和吸附热力学进行了综述，并对水滑石在废水处理上的应用前景进行了分析。

1 影响水滑石吸附能力的因素

水滑石相对于传统的吸附剂拥有较大的吸附容量[9-10]，但是它的吸附能力也受到诸多因素的影响。水滑石常用于处理废水中的污染物，在废水体系中，它的吸附能力受到溶液温度、pH值、吸附剂投量、共存离子的影响。通过研究这些因素下水滑石的吸附能力能够为处理废水提供参考及节约废水处理成本，对工业上处理废水具有重大意义。

1.1 温度

温度是影响水滑石吸附能力的一个重要参数，随着温度的升高，水滑石的吸附能力先增加后趋于稳定。温度升高，溶液中离子的扩散速度加快，水滑石的吸附能力增加，随着温度的进一步增加，吸附能力没有明显提高，这可能是由于吸附达到了一个动态平衡。

Chao-Rong Chen[11]等以镁铝混合氧化物作为前驱体，在葡萄糖存在的前提下合成了镁铝水滑石/炭复合材料(记做MgAlO-C)，研究其对Cr(VI)的吸附，MgAlO-C对Cr(VI)的吸附量随着吸附温度的增加而增加，在前30 min内吸附较快，之后吸附速度降低，在50 min时吸附达到平衡。表明吸附温度对吸附达到平衡的时间没有影响。温度升高，单位质量的吸附剂吸附量有所增加，在50 ℃时的吸附量几乎是20 ℃时的两倍。之所以温度对吸附达到平衡的时间没有影响，笔者认为物理吸附为该吸附过程的速率控制步。吸附量随温度的增加而增加，可能是温度升高，使得复合材料发生了一些反应，改变了炭的比表面积。N. Daneshvar[12]等发现温度可能对吸附过程主要有两个影响。一是温度升高导致溶液黏度降低，这将有利于重金属离子的扩散。二是改变温度会改变平衡时吸附剂的吸附容量。第二个影响在Hui Zhang[13]等的研究中得到了印证。

1.2 pH值

水滑石是碱性的，pH值对溶液中水滑石的吸附性能有显著的影响。在低的pH值下吸附剂可能发生溶解，在高的pH值条件下，溶液中的OH-会形成竞争吸附，过高或过低的pH值都不利于吸附剂的吸附。因此，多数情况下水滑石吸附有害离子的最佳pH值为6左右。

1.3 吸附剂投量

吸附剂投加量的多少对吸附容量和吸附效率都有很大的影响，废水中存在的有害离子数量大，考虑到吸附剂的吸附效率有限，增加吸附剂投量可以提高有害离子的吸附量，从而将废水中有害离子降低到一个安全的浓度范围之内。吸附剂投加量能够预测到处理废水中污染物的成本，对工业处理废水具有重要的指导意义。

Lin Deng[21]等采用共沉淀法在高岭土上负载镁铝水滑石，合成改性高岭土，用于研究对水溶液中磷酸盐的吸附性作用。在考察吸附剂投量对吸附的影响时，得出当吸附剂用量从0 g/mL增加到0.2 g/50 mL时，吸附量逐渐增加，进一步增加吸附剂投量吸附量基本保持不变，因为更高的吸附剂用量提供了更大的比表面积和更多的吸附位点，但是在0.2 g/50 mL时，几乎吸附达到了平衡，进一步增加吸附剂投量，只会造成成本的浪费。

1.4 共存离子

2 吸附机制

研究水滑石吸附水中污染物的机理对研究新型吸附剂具有重要作用。水滑石吸附水中重金属离子和无机阴离子的机理不同，为了探讨水滑石的吸附机理，许多学者都进行了大量的实验研究，运用各种技术手段对吸附前后的产物进行表征以探明其吸附过程中吸附剂的微观形态变化。

Bo Zhang[23]等通过对水滑石改性以获得更大的比表面积，研究改性后的水滑石对水溶液中Cr(VI)的吸附作用，发现可能的吸附机理是吸附剂与金属离子之间的静电引力以及金属离子与吸附剂表面的羟基结合。Na Tian[24]等对镁铝层状双氢氧化物煅烧得到具有尖晶石结构的金属氧化物用于吸附地下污染水中的亚硒酸盐。得出吸附除了亚硒酸盐在焙烧水滑石的表面上吸附和离子交换过程中，大部分的亚硒酸盐通过嵌入到层间区域而被去除。Lijun Wang[25]等通过水滑石沉淀转化法去除水中Pb2+。Elisabetta Dore[26]等研究煅烧和未煅烧的层状双氢氧化物对锑的吸附，发现煅烧的和未煅烧的吸附机理不同，第一种是通过层间吸附锑，第二种通过形成形成类似于白云母状的新相而除去锑。Tomohito Kameda[27]等发现金属离子主要通过螯合作用去除。M.A. González[28]等将腐植酸(HA)插入到水滑石中间，合成具有螯合作用的Mg-Al-HA LDH，去除Cu2+，Pb2+，Cd2+。目前吸附机制还没有一个统一的说法，去除机理有待进一步研究。

3 吸附热力学分析

吸附分两种类型:第一种物理吸附，第二种化学吸附。吸附过程中必然伴随着能量的变化，通过对热力学数据的计算分析可以判断吸附是化学吸附还是物理吸附，根据能量的大小，化学吸附所需要的能量大，物理吸附所需能量小，热力学分析可以判断吸附的类型及吸附反应发生的难易程度大小。通过对热力学参数进行计算，判断吸附反应是否自发或者吸热，对焓变，熵变及自由能等参数的计算，焓变值的正负在一定程度上也可以预测出温度对吸附的影响，焓变大于零，温度升高有利于吸附，反之不利于吸附。熵变判定体系混乱度的大小，自由能的正负关系到吸附反应是否自发。

Wenqing Ma[29]等合成水滑石类化合物研究除氟性能，对氟化钠的吸附热力学参数计算得出该吸附过程是自发的吸热反应 。水滑石对大多数金属离子或是无机阴离子的吸附都是自发的吸热反应。Chao-Rong Chen[30]等以镁铝混合氧化物为前驱体，在葡萄糖的存在下合成了镁铝水滑石/炭复合材料(记做LDH/C)，研究对Cr(Ⅵ)的吸附性能。研究热力学数据同样表明该吸附过程为自发的吸热反应。Mohamed Khitous[31]等研究层间阴离子对镁铝双氢氧化物去除Cr(Ⅵ)的影响。通过对热力学数据分析也表明该吸附过程为自发的吸热反应。

4 展望

城市生活中排放的污水，以及工业上排放的废水，都对生态环境造成巨大的污染，为了解决这一问题，必须要对污水进行处理，而常见经济有效的方法就是吸附。水滑石作为一种吸附材料，具有吸附容量大，效率高，操作方便等优点，不同方法制备出来的水滑石吸附能力具有一定的差异，而水滑石的制备方法多样，由于各种方法制备的水滑石形态和晶体结晶度不一样，在吸附领域研究如何快速合成结晶度高，形状规则，比表面积大的水滑石是未来研究的一个方向，还有就是水滑石的再生技术研究，这关系到处理废水的成本，低成本的水处理技术一直都是研究的一个重点。而水滑石的结构重建能力为水滑石的再生提供了可能。研究水滑石的再生利用必将是今后研究的一个重点。