摘要
重金属离子已造成严重的环境污染问题，所以开发绿色高效的重金属处理材料受到人们的广泛关注。硅藻土在中国储量极为丰富，其三维骨架结构由角共享的SiO4四面体构成，此外结构网络中存在的配位缺陷和氧桥缺陷使硅藻土具有较高的反应活性，并且不会造成二次污染，有利于高活性硅酸盐的规模化制备和应用。本研究中，以低品位硅藻土为原料，首先通过水热反应选择性合成硅酸盐材料,包括方沸石(Na(AlSi2O6)H2O)和层状的麦羟基硅钠石(Na2Si14O29·10H2O);再次以硅藻土为硅源和基底，构建了长石类(钙长石、钾长石、钠长石等)纳米片状材料所修饰的硅藻土复合材料。论文深入研究了复合材料对污染物的净化机制，并探索了吸附使用后废弃吸附剂的资源化回用效果。具体研究内容如下: (1)以酸洗除杂后硅藻土为原料水热合成出麦羟基硅钠石层状材料，其具有较好的离子交换能力，层间Na+能够与Li+、Mg2+、Zn2+、Co2+、Ni2+、Cu2+等离子进行阳离子交换且保持层状母体框架的稳定性。以Co2+、Ni2+为例深入研究了吸附动力学和吸附机制，Co2+、Ni2+离子进入层间使得层间距由麦羟基硅钠石本征的1.56nm,分别降至1.22nm和0.94nm。室温下，麦羟基硅钠石框架对Co2+、Ni2+离子的最大吸附量分别可达45mg/g和39mg/g。吸附过程均符合Langmuir单层吸附模型且化学吸附占主导。Co2+、Ni2+离子置换出的Na+物质的量约为吸附的Co2+、Ni2+的2倍，证实了层间离子交换的化学过程，但仍存在其他类型的表面吸附作用。此外，还探索了一系列影响因素如金属离子初始浓度、溶液pH值、共存离子、腐殖酸和溶液离子强度等因素对麦羟基硅钠石吸附性能的影响。结果表明在水体中常见的离子的共存情况下，麦羟基硅钠石对Co2+和Ni2+的吸附效率受到的影响较小，随着溶液pH值的增大，对Co2+和Ni2+的吸附性能有所增加;而腐殖酸因降低溶液的初始pH值，从而影响了麦羟基硅钠石的负电荷表面特性，在Co2+和Ni2+吸附中表现出轻微的抑制作用。因此，麦羟基硅钠石对水相中Co2+和Ni2+的吸附具有良好的吸附能力、较强的抗干扰能力和较高的选择能力，且可基于离子交换过程用于多类别复合层状硅酸盐的合成。 (2)以硅藻土为基底和硅源，水热合成了长石类(钙长石、钾长石、钠长石等)纳米片状材料所修饰的硅藻土复合材料。硅藻土@钙长石材料对Fe3+和PO43-具有良好的吸附性能，并且在吸附过程中可以保持结构和形貌稳定性。对其吸附Fe3+后的废弃吸附剂实现再利用，将表面的Fe3+原位还原为nFe0并用于去除水中的重金属Cr(Ⅵ)离子，发现其可以促进Cr(Ⅵ)转化为Cr(Ⅲ),其过程涉及到三个步骤，即静电吸附、还原和共沉淀反应，因此，nFe0负载于硅藻土@钙长石复合材料上不仅可以解决nFe0团聚的问题，而且可以提高对Cr（Ⅵ）的处理能力;同时将吸附PO43-离子的硅藻土@钙长石复合材料进行资源化回用试验，经结合植株生长验证表明，表面担载PO43-离子的钙长石@硅藻上在水溶液中PO43-离子会发生脱附缓释现象，脱附后的磷对根和茎叶生长、生物量（干重）以及植物体内磷含量具有明显的促进作用，空白组BK、3mg/L-PO43--Dt@Anorthite、5mg/L-PO43--Dt@Anorthite和8mg/L-PO43--Dt@Anorthite组的豌豆苗的根和茎叶生长、生物量（干重）以及植物体内磷含量变化较大，而8mg/L-PO43-组相比于添加了吸附剂的同等磷浓度的组，根和茎叶生长、生物量（干重）以及植物体内磷含量有小幅度升高。因此基于长石类纳米片状结构改性的硅藻土在环境净化与修复领域具有较好的应用前景,对其他种类废弃吸附剂的资源化再利用也有着一定的启发意义。
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