摘要
工业革命开始后，石油资源的需求快速上升，但同时也导致了石油的泄露事件频发;此外，在工业生产、废物处理等过程中也产生和排放了大量有机污染物。严重的有机污染制约了我国经济社会的可持续发展，其高效治理也成为了我国环境保护的重点领域。吸附/吸收法被广泛应用于环境治理，其关键在于研制性能良好的吸附/吸收材料。气凝胶是一种新兴污染控制材料，目前用于有机污染控制的聚合物、活性炭、石墨烯类气凝胶存在制备方法复杂、成本高等不足，且在高温环境使用时存在易燃隐患。基于天然矿物研制的有机污染控制材料具有制作工艺简单、成本低等优势，引起了人们的关注。蒙脱石（Mnt）是一种储量丰富的天然黏土矿物，具有二维片层纳米结构和较高的阳离子交换容量，可通过离子交换将有机改性剂引入其层间域而制备有机蒙脱石，从而提高对有机污染物的亲和能力。然而，有机蒙脱石是一种粉体材料，其在实际应用过程中存在易洒落、扬尘多、分离回收难等问题。利用有机蒙脱石制备新型气凝胶有望解决这些问题，和在生产成本、安全使用等方面弥补传统有机污染控制用类气凝胶的不足。 本研究围绕有机污染治理问题，从研制高效吸附/吸收材料出发，综合利用蒙脱石（购于中国内蒙古）的特殊层状结构和物理化学特性，采用“有机改性-复合增韧-冷冻干燥”的方法，构建三维多孔网络结构，开发多种有机蒙脱石气凝胶，并将其用于有机污染物的吸收/吸附处理。采用物相检测、形貌表征、谱学分析等多种技术方法，研究了所制备气凝胶的结构特征，阐述了气凝胶的形成机制;通过系列吸附/吸收实验、重复利用实验和可燃性测试来评估材料的性能，探索其在有机污染控制领域的应用。研究工作主要获得了以下结果: 1、以有机蒙脱石为前驱体和壳聚糖为交联剂，经过溶胀超声（500W）和冷冻干燥（-50℃，2天）处理，制备了具有三维多孔网络结构的有机蒙脱石/壳聚糖气凝胶（CS-C16Mnt）。壳聚糖（CS）与有机蒙脱石（C16Mnt）片层通过静电作用和氢键相结合;气凝胶有较低的密度（32.9mg/cm3）、较强的疏水性（接触角131.1°）、不燃性等特点。CS-C16Mnt可以高效吸附气相苯，以及吸收液相环境中的油和有机溶剂;有机蒙脱石中表面改性剂形成的疏水有机相是主要吸附/吸收作用位点。当有机蒙脱石与壳聚糖的质量比为10∶1时，气凝胶的处理能力最好，对气态苯的吸附容量可达720.9mg/g;对不同油和有机溶剂（二甲苯、汽油、液体石蜡、二甲基硅油、四氯化碳）的吸收量为14.4-29.0g/g;对以餐厅污水为代表的实际污水中含有的有机污染物的吸附/吸收量为6.6-8.9g/g。 2、将用有机蒙脱石和壳聚糖制备的溶胶负载到聚氨酯海绵上，冷冻干燥(-50℃,2天)后制得了具有良好机械性能的有机蒙脱石/聚氨酯海绵复合气凝胶(PU/CS-C16Mnt)。气凝胶通过共价键和氢键负载在海绵上，改变海绵的表面物理化学性质，使PU/CS-C16Mnt具有良好的疏水性(接触角127.4°)、轻质低密度(34.6mg/cm3)、较低的可燃性等特性。PU/CS-C16Mnt以表面改性剂的高有机亲和力和海绵的表面吸附去除有机污染物，对气相苯的吸附量可达682.3mg/g;液相环境中对双酚A和硝基苯的吸附量分别可达339.8mg/g和137.0mg/g;对不同油和有机溶剂的吸收量为20.8-37.0g/g;对实际污水中含有的有机污染物的吸附/吸收量为6.4-7.1g/g;按密度换算样品吸附/吸收量，PU/CS-C16Mnt相比PU可以更小的体积吸附/吸收相同质量的有机污染物。PU/CS-C16Mnt经过5个循环液相吸附实验，依然保持良好的吸附性能，吸附率保持在71.9％-79.1％;重复吸收-挤出过程10次，对油和有机溶剂的吸收率保持在82.8％-87.6％;经过重复利用实验后PU/CS-C16Mnt吸附/吸收能力均仍然大于PU，仅少量气凝胶从聚氨酯海绵中脱落。 综上所述，本研究充分利用有机蒙脱石的特殊层状结构和物理化学特性，研制了多种有机蒙脱石气凝胶材料，其对气相和液相环境中的有机污染物都具有良好的吸附/吸收性能，污染处理后能方便地分离回收。研究结果有助于实现有机黏土气凝胶材料的规模化制备和实际应用，为黏土矿物资源的高值利用提供了新思路和新材料。
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