埃洛石是一種具層狀結構的1:1型鋁硅酸鹽礦物，是高嶺石的水合多型礦物，由于結晶條件和地質(zhì)產(chǎn)出環(huán)境的差異，埃洛石具有不同的蝕變程度和水合狀態(tài)，可呈管狀、球狀、片狀等多種形貌，但以管狀形貌最為常見(jiàn)。
　　
　　由于具有儲量豐富、廉價(jià)易得、環(huán)境相容性好、比表面積大、表面基團豐富和吸附效率高等特點(diǎn)，以及獨特介孔型管狀內腔和帶不同電荷的內、外表面，HNT已被廣泛用于環(huán)境污染修復領(lǐng)域，不僅可以直接用于污染物的吸附固定，還可用于多種有機污染物的催化降解。
　　
　　埃洛石和地開(kāi)石同屬于高嶺石族1:1型粘土礦物，其結構單元層由1層硅氧四面體(T)和鋁氧八面體(O)組成。埃洛石結構單元層間為1層水分子，由于水分子層的存在使得相鄰單元層無(wú)法通過(guò)氫鍵維持平衡，因此埃洛石的結構單元層通過(guò)卷曲消除結構應力（硅氧四面體和鋁氧八面體尺寸不匹配導致產(chǎn)生結構應力），形成多壁卷曲納米管結構；地開(kāi)石層狀結構具有二維相互連通的通道，即T和O共用一個(gè)氧原子，每?jì)蓚€(gè)相鄰的層遵循TO-TO模式的排列，并由氫鍵連接，這為埃洛石向地開(kāi)石的聚合轉化提供了可能。
　　
　　近日，華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院吳平霄教授團隊研究發(fā)現，埃洛石與偏硅酸鈉在水熱條件下可以發(fā)生聚合反應，反應過(guò)程中外源硅與埃洛石內表面鋁羥基反應，導致埃洛石管逐層展開(kāi)，生成地開(kāi)石。埃洛石地開(kāi)石化過(guò)程中，原埃洛石結構中Al-O-Si鍵斷裂，形成/暴露了更多的鋁羥基基團，這極大地增強了埃洛石對Pb2+、Cd2+和Cr3+的去除能力(圖1)。

圖1.展開(kāi)埃洛石管形成地開(kāi)石及其固定重金屬過(guò)程示意圖

　　
　　本研究通過(guò)引入偏硅酸鈉作為外源硅，對埃洛石向地開(kāi)石的聚合轉化展開(kāi)了研究。隨著(zhù)偏硅酸鈉比例逐漸增大，偏硅酸鈉優(yōu)先與埃洛石內表面鋁羥基作用，在管口形成小球并逐漸變大, 形成均勻分布的金針菇狀材料。部分埃洛石管上面的小球，從孔口延伸到空心管的中間逐漸斷裂，擴張成片層狀，最終形成較大的球體。透射電鏡結果清晰地展示了埃洛石管逐層打開(kāi)再聚合轉化為地開(kāi)石的反應過(guò)程，轉化后埃洛石的晶格條紋展現出了與XRD對應的特征晶面和晶格間距，進(jìn)一步表明偏硅酸鈉與埃洛石的聚合反應導致埃洛石成功地轉化為地開(kāi)石(圖2)。
　　

圖2.埃洛石管逐漸打開(kāi)形成地開(kāi)石的轉化過(guò)程

　　
　　與埃洛石相比，地開(kāi)石具有更加豐富的羥基和接觸位點(diǎn)、更大的比表面積，表面位點(diǎn)表現出更高的活性。吸附實(shí)驗表明，相對于埃洛石原礦，轉化后形成的地開(kāi)石對Pb2+、Cd2+和Cr3+的吸附能力分別提高了近20倍、12倍和10倍；其對Pb2+、Cd2+和Cr3+的吸附行為符合二級動(dòng)力學(xué)，吸附等溫模型符合Langmuir模型，這表明三種重金屬離子在地開(kāi)石表面主要是單層吸附(圖3)。因此，將埃洛石地開(kāi)石化，顯著(zhù)提高了其對有毒金屬離子的去除能力。
　　

圖3.地開(kāi)石對重金屬的吸附動(dòng)力學(xué)和等溫模型
 

圖4.地開(kāi)石對重金屬的吸附機理
 

　　對吸附后的產(chǎn)物分析表明，Pb2+、Cd2+和Cr3+分別以鋁鉛硅酸鹽，鋁硅酸鹽鎘，鉻氧化鋁的形式被固定。固定后地開(kāi)石表面鋁羥基的伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)出現了明顯的變化(圖4)，表明地開(kāi)石對重金屬的吸附機理主要是介孔配位和羥基絡(luò )合作用。
　　
　　綜上，埃洛石的地開(kāi)石化技術(shù)，旨在打開(kāi)其管狀結構，使更多的活性基團暴露出來(lái)，用于去除重金屬污染，研究結果為擴大埃洛石等粘土礦物在毒性重金屬去除領(lǐng)域的應用提供了重要的技術(shù)參考。
　　
　　資料來(lái)源：Applied Clay Science