管状埃洛石铝羟基表面的硅烷嫁接及其对布洛芬负载、释放的影响

埃洛石[Al2Si2O5(OH)4.nH2O]是一种1∶1型的层状硅酸盐矿物,其结构单元层由铝氧八面体片和硅氧四面体片组成,结构单元层之间为水分子层。天然埃洛石颗粒多呈管状,其外径通常为30~190 nm,内径10~100 nm,管长0.02~30μm。     

纳米结构矿物的特殊结构和表-界面反应性

纳米矿物是纳米地球科学（Nanogeoscience）的核心研究对象之一.鉴于"纳米矿物"的概念在实际运用时较宽泛,有时与经典定义不符,建议用"纳米结构矿物"代替"纳米矿物",并简析了纳米结构矿物（Nanostructured Minerals）的概念.以管状纳米结构矿物（埃洛石和伊毛缟石）、球状纳米结构矿物（水铝英石）、层间纳米结构矿物（蒙脱石和伊/蒙混层矿物）和多孔纳米结构矿物（硅藻质蛋白石）为例,分析了纳米结构矿物的结构、表面基团的特殊性及其所衍生的特殊界面反应性,讨论了它们对矿物资源利用和油气生成等地球物质循环过程的重要意义.      

黏土矿物污染控制材料及其高效利用

黏土矿物具有特殊的纳米片层结构、含可交换性层间阳离子、微观结构及表面物理化学性质易调控;因此,黏土矿物及其改性产物对多种环境污染物有良好的吸附/催化性能,在污染控制领域有良好的应用前景。近年来,课题组以蒙脱石和层状双金属氢氧化物(LDH)为代表,研究了它们在污染控制领域的资源利用:1)研究了蒙脱石、LDH、LDO(LDH煅烧产物)对染料分子的吸附特征,发现它们对染料分子的吸附性能可优于活性炭;通过碳化处理废弃黏土矿物的方法,制备了系列类石墨烯纳米碳材料及多孔碳材料,所得碳材料显示了良好的电催化性能或吸附性能。2)研究了蒙脱石对重金属离子的吸附特征,并通过热处理实现了重金属离子的层间域/片层结构内的原位锁定。3)研究了羟基金属改性蒙脱石对重金属离子和含氧酸根的协同吸附机制,并发现吸附产物(如吸附了磷酸根和Cu2+的羟基铁柱撑蒙脱石)可用于光催化降解有机污染物。4)综合运用实验研究和分子模拟技术,研究了有机改性蒙脱石对疏水性有机污染物的吸附机制,发现表面活性剂堆垛密度是决定有机黏土吸附性能的关键因素,并采用阳离子聚合物来调控层间域表面活性剂堆垛密度,优化了有机黏土吸附性能。5)采用阳离子表面活性剂和羟基金属共同插层的方法,制备了有机-无机复合蒙脱石,发现了其能同时吸附有机物和含氧酸根离子。课题组的研究工作综合运用了实验研究和分子模拟,包括了基础理论研究和应用研究,涉及了黏土矿物及其改性产物的吸附、催化性能,并探讨多种废弃黏土矿物的资源回用技术。研究结果对实现黏土矿物在污染控制领域的高效资源利用提供了新信息。     

黏土矿物基酶复合体系的理性构建及催化性能

黏土矿物作为一类天然纳米结构硅酸盐非金属矿物材料,以其比表面积大、生物相容性好、价廉易得等优势而成为酶固定化、构建纳米结构酶复合体系的理想载体。本文综述了近年来以黏土矿物为载体构建的纳米结构酶复合体系及其应用进展,包括以黏土矿物为载体制成的纳米结构酶,以改性黏土材料为载体制成的纳米结构复合酶,以及以改性黏土矿物为囊壁材包封酶制成的黏土矿物基纳米复合酶仿生微囊。纳米结构酶复合体系的构建,不仅提高了酶的催化效率,还增强了酶在复杂环境中的耐用性和重复使用性,在降低酶工业化成本的同时,也为黏土矿物的高值化利用开拓了新方向。     

稀土氧化物及黏土负载La2O3除磷性能的实验研究

地表水体富营养化现象与磷的积累有密切关系,去除水体中溶解态磷是降低富营养化风险的技术关键。近十余年来,稀土元素被用于污水除磷剂的开发,并获得了良好的应用成效。本文实验比较了8种结晶态稀土氧化物(Y_2O_3、La_2O_3、CeO_2、Pr6O11、Nd_2O_3、Sm_2O_3、Eu_2O_3和Dy_2O_3)的除磷性能,结果表明La_2O_3的除磷性能最好,Pr6O11、Y_2O_3、Eu_2O_3、Nd_2O_3次之,Sm_2O_3和Dy_2O_3效果微弱,CeO_2完全没有除磷能力;研究表明稀土氧化物表面磷吸附的动力学行为更符合准一级反应模型,吸附等温线符合Langmuir模型。实验表征了除磷后的稀土氧化物和除磷过程中溶液p H值的变化,认为稀土氧化物除磷是一个表面吸附占主导,氧化物溶解出来的离子辅助沉淀的吸附过程。为了避免稀土氧化物颗粒在水体中发生团聚并降低表面吸附能力,将稀土氧化物La_2O_3微纳米颗粒负载在不同黏土矿物上,发现负载于黏土矿物表面的稀土氧化物除磷能力有较好提升,磷吸附量均提高25%左右。负载等量La_2O_3的3种黏土矿物的除磷性能差异不显著,黏土矿物提高稀土氧化物颗粒分散度可能是后者除磷能力提升的主要原因。     

Zn_3(PhCH=CHCOO)_6(phen)_2·H_2O的纳米晶结构计算及环境属性

Zn3(PhCH=CHCOO)6(phen)2.H2O晶体具有与锰氧化物及锰氢氧化物类似的微结构,在生成环境与晶体化学微结构方面有明显的环境属性,是一种新生环境矿物.为研究其纳米晶结构、最佳纳米尺度和环境矿物属性,在溶液法合成该配合物晶体的基础上,采用纳米晶参数计算方法,对该配合物纳米级微粒的晶胞数、原子数、表面原子数和表面活性随微粒在纳米尺度范围内的变化进行了计算,对比锰氢氧化物结构,发现该配合物晶体活性、表面效应与颗粒尺度有密切关系,内部结构具有鲜明的环境属性.结合晶体颗粒的比表面积与总原子数相对颗粒尺度的变化关系,理论上确定了该颗粒最佳纳米化尺度为138nm,为此类物质纳米晶在环境方面的研究应用奠定了基础.     

天然管状矿物埃洛石负载TiO_2的微结构及对亚甲基蓝的光催化降解研究

埃洛石是一种天然的管状粘土矿物,在环境治理方面有广泛的应用。室温条件下通过钛酸丁脂的水解反应在埃洛石上负载了TiO_2。分别在避光条件和紫外光照射下,通过亚甲基蓝溶液的降解研究了埃洛石和负载TiO_2埃洛石的吸附和光催化性能。通过亚甲基蓝被吸附和降解的量,评价了样品的吸附和光催化性能。由于复合了吸附和光催化性能,负载TiO_2埃洛石能迅速降解水中的有机污染物——亚甲基蓝,其降解速度要快于纯埃洛石,因为纯埃洛石只有吸附性能。这是埃洛石应用研究方面的一次新尝试。该研究对大气和水体中各种污染物的去除和降解必然有积极的指…     

含铝多孔粘土材料的合成与研究

本文利用XRD、TEM等方法初步研究2：1型蒙脱石矿物及1：1规则间层的累脱石矿物与聚合羟基铝交联剂的层间交联作用，比较了不同制备条件下对形成含铝多孔粘土材料孔结构性质的影响。结果表明，适当增加Al／土值，采用PVA表面活性剂对粘土进行修饰改性有利于形成具有大孔结构的材料。     

近红外光谱对岩矿表面黏土矿物覆层的响应

近红外光谱(NIR)技术具有测试快速、准确和对样品无接触、无损害等诸多优点,因而被广泛应用于材料科学、医学和地球科学等众多领域。在地质学和行星探测领域,近红外光谱常用来原地和遥感识别星球表面矿物组成、分布及相对含量等信息。近红外光谱对含有羟基和水的矿物,特别是黏土矿物有更强的响应,而黏土矿物主要的生成条件和矿物物化性质使其常常以岩石矿物表面覆层形式广泛存在于地表环境中。在实际测试过程中,覆层形式存在的黏土矿物极有可能会对探测目标区的岩石矿物含量和赋存状态等信息产生干扰,其干扰程度和机制尚不十分清楚。为此,本研究针对性地考察了黏土矿物覆层对矿物表面近红外光谱测试的影响。选用绿脱石、绿泥石、高岭石和伊利石4种代表性黏土矿物,覆层的厚度分别设计约为30、10、2和1μm;基体矿物选取角闪石、钾长石和石英为代表。实验结果表明,在位于2100～2370 nm处的近红外光谱吸收波段,不同厚度的黏土矿物覆层均会不同程度地影响基体矿物的反射光谱特征,导致在遥感探测过程中无法准确地获取其光谱信息,且随着覆层厚度增加,基体矿物信息被湮没的程度加剧。与富铁黏土矿物(绿脱石和绿泥石)相比,富铝黏土矿物(高岭石...     

微粒矿物的地球化学活性与生物活性

微粒矿物的粒径为几个纳米到几十个微米,因其颗粒小、表面积大,具有不同于块体矿物的表面结构和化学活性。本文将主要讨论这一粒级矿物的地球化学活性和生物活性。１矿物微粒的物理化学特性微粒矿物的物理化学性质主要取决于微粒的表面化学性质与体积效应,即表面原子结...     

埃洛石对阳离子型和阴离子型染料的吸附研究

为研究不同产地埃洛石对阴、阳离子型染料的吸附性能差异,以产自山西临汾、四川广元、湖北丹江口的天然管状埃洛石作为阳离子型染料亚甲基蓝,以及有机硅烷接枝改性的湖北埃洛石作为阴离子型染料酸性橙Ⅱ的吸附剂进行实验研究。结果表明,天然埃洛石带有负电荷,适合作为阳离子型染料亚甲基蓝的吸附剂,其最大吸附量约为90 mg/g,吸附符合准二级动力学模型。埃洛石的微结构(零电荷点pH、表面位密度、孔结构等)对其吸附性能产生直接制约作用。有机硅烷接枝改性将埃洛石表面电荷调控为正电荷,将其开发为阴离子型染料酸性橙Ⅱ的吸附剂(需调节溶液pH=2),其最大吸附量为80 mg/g。     

基于有效比表面积修正的Kozeny-Carman方程在黏土渗透中的适用性研究

黏土中含有较多的黏土矿物,黏土矿颗粒表面带电使黏土颗粒表现出活泼的水理性质,这种性质会使土体表面形成双电层,因此黏土颗粒在沉积过程中受各种力的作用而相互堆叠形成孤孔、盲孔之类的非连通孔隙结构。实际上在黏土渗流过程,流体不能流过非连通孔,只能流过连通孔隙表面,而Kozeny-Carman方程（K-C方程）计算时将颗粒的比表面积作为渗流的过流比表面积,所以K-C方程在计算黏土渗透系数时会出现偏差。因此本文将允许流体流过的连通孔隙的比表面积作为渗流有效比表面积,进而对K-C方程中的颗粒比表面积进行修正。相关试验表明,修正后的K-C方程较未修正的K-C方程在描述黏土渗流规律时具有明显的优势。     

纤维状硅灰石/聚丙烯复合材料界面性能研究

以未改性纤维状硅灰石粉、硬脂酸改性纤维状硅灰石粉与聚丙烯混炼制成聚丙烯复合材料。利用平衡接触角仪间接测得聚丙烯基体和矿物粉体的表面自由能。计算出纤维状硅灰石／聚丙烯界面的粘附功Wa和界面张力γSL等热力学参数。分析探讨了聚丙烯及矿物粉体表面特性、纤维状硅灰石／聚丙烯界面行为与复合材料力学性能的关系。结果表明：复合两相界面的粘附功Wa和界面张力γSL,共同作用影响复合材料的强度。界面粘附功Wa大,说明两相结合牢固．则复合材料强度大;界面张力γSL小。则粉体在基体中的分散性能好,有利于增加两相间总的接触面积,使复合材料强度增大。研究复合两相的界面行为．找出粘附功Wa和界面张力γSL间的最佳组合。将有助于设计出性能优良的复合材料。为合理地选择和改性填料提供科学依据。     

硅柱撑黏土矿物的“非胶束模板”成孔机制

正多孔黏土异质结构材料(PCHs)是以长链烷基铵为模板剂,以黏土矿物为基体制备的一类柱撑材料。PCHs独特的孔径分布范围弥补了微孔性柱撑黏土矿物和介孔硅之间的孔径分布间隙。其有希望成为良好的吸附剂、催化剂、载体或合成其他多孔材料的模板。因此,PCHs的成孔机制和有效的结构控制尤为重要。长期以来,PCHs的成孔机制一直参照介孔硅的分子     

膨胀土吸水过程的试验研究

利用研制的膨胀土连续吸水试验装置,得到了强膨胀土连续吸水膨胀过程的测试曲线。通过对试验曲线及试验现象的深入分析,探讨了膨胀土吸水膨胀过程的阶段性、驱动力、膨胀机理等问题。研究结果表明:连续吸水试验装置提供测试膨胀土连续吸水过程的方法;膨胀土吸水膨胀过程的驱动力是黏土矿物颗粒的吸附作用,毛细作用只是起到传输水分的作用;吸附在黏土矿物颗粒表面膨胀土吸水膨胀过程是以黏土矿物颗粒为吸附中心,黏土矿物不断水化的过程;进入土体中的水分一部分存贮在土体孔隙中,一部分形成结合水膜,导致土体膨胀的是吸附在黏土矿物颗粒表面的结合水膜的体积变化。     

炼锌废渣中重金属 Pb、Zn的矿物学特征

利用X射线衍射（XRD）和带能谱的电子显微镜（TEM／SEM）等方法研究土法炼锌固体废物的矿物组成，特别是重金属Pb和Zn的矿物学赋存特征。结果表明：固体废物是一种高度不均匀的复杂集合体。废渣主要是由石英、长石、碳酸盐矿物、铁质和铝质的非晶质玻璃以及少量风化次生矿物相组成。Pb在废渣中主要以金属Pb形式存在，或呈纳米金属Pb颗粒包裹或吸附于其它矿物表面及玻璃质集合体中。废渣中Zn的存在形式比Pb复杂得多，有硅锌矿、 锰硅锌矿、丝锌铝石等矿物存在形式，在其它矿物表面或玻璃质集体体中也能见到少量纳米级金属Zn。     

黏土矿物与碱激发地聚物的相互作用机理

土体固化的核心问题之一就是使用适宜的固化剂固化黏土矿物。通过扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)以及X射线光电子能谱(XPS)等试验方法,研究不同碱含量下碱激发地聚物固化的蒙脱石、伊利石和高岭土的微观结构、物质组成及物理化学反应过程,探究碱激发地聚物与黏土矿物之间的相互作用机理。研究结果表明:黏土矿物经碱激发地聚物固化后,由松散颗粒转变为块状致密结构;随着地聚物中碱含量的增加,Si、Al及Ca元素电子结合能下降;蒙脱石在衍射角为5°左右(001)峰形右移,层间距减小;蒙脱石吸附水含量减小,亲水能力下降,矿物活性被限制。     

铝硅酸盐纳米矿物的地质意义和资源价值再认识

本文简析了三种典型铝硅酸盐纳米矿物(埃洛石、伊毛缟石和水铝英石)的结构和性质特点;探讨了它们在其典型赋存环境中对元素迁移和富集所起的作用和机理,包括风化淋积型稀土矿床中埃洛石对稀土元素赋存所起的作用,火山灰风化壤等体系中伊毛缟石和水铝英石对重金属离子、放射性元素、阴离子和有机碳迁移所起的作用等;还浅析了这三种特殊非金属矿物的工业应用的可能性和条件。     

华北克拉通南缘石炭系本溪组铁-铝黏土矿物质来源: 以河南三门峡大安铝黏土矿床为例*

华北克拉通在中奥陶世至晚石炭世期间一直出露地表,经历了长期的风化作用,形成大规模的铁-铝黏土矿,其成矿物源一直是研究的热点,尤其是本溪组底部铁矿和铁质黏土矿与上部铝黏土矿是否为同一来源尚未查清。本研究选取克拉通南缘大安铝黏土矿床作为研究对象,展开微区矿物及元素地球化学组成分析,进一步探讨铁-铝黏土矿物质来源。大安矿床内含矿岩系自下而上包括铁质黏土岩、铝土矿、铝质黏土矿;局部喀斯特高地缺失铝土矿,铝质黏土矿直接覆盖于铁质黏土岩之上。铁质黏土岩在洼地以菱铁矿、黄铁矿和伊利石为主,在隆起区以赤铁矿、伊利石和高岭石为主。铝土矿以硬水铝石、伊利石和锐钛矿为主;铝质黏土矿主要矿物为伊利石。矿物微区分析在黏土矿底部发现大量的碳化硅和少量自然硅、硅铁矿、铬铁矿;区域对比揭示北秦岭造山带内商丹缝合带和二郎坪群中的蛇绿岩为铝黏土矿形成提供了成矿物质。本溪组底部铁质黏土与上部铝黏土矿稳定元素比率(例如Zr/TiO₂、Hf/TiO₂、Nb/TiO₂、Ta/TiO₂)存在明显差异,揭示二者为不同来源: 底部铁质黏土岩和铁矿层为底板碳酸盐岩原地风化的产物;而上部铝黏土矿是异地搬运物,北秦岭造山带在晚石炭世的整体抬升为华北铝黏土矿形成提供了重要的成矿物质。     

基于有效比表面积修正的Kozeny-Carman方程在黏土渗透中的适用性研究

黏土中含有较多的黏土矿物。黏土矿颗粒表面带电使黏土颗粒表现出活泼的水理性质,这种性质会使土体表面形成双电层。因此,黏土颗粒在沉积过程中受各种力的作用而相互堆叠形成孤孔、盲孔之类的非连通孔隙结构。实际上在黏土的渗流过程中,流体不能流过非连通孔,只能流过连通孔隙表面。而Kozeny-Carman方程(K-C方程)计算时将颗粒的比表面积作为渗流的过流比表面积,所以K-C方程在计算黏土渗透系数时会出现偏差。因此,允许流体流过的连通孔隙的比表面积作为渗流有效比表面积,进而对K-C方程中的颗粒比表面积进行修正。相关试验表明,修正后的K-C方程较未修正的K-C方程在描述黏土渗流规律时具有明显的优势。