[发明专利]一种硅烷功能化剥层水滑石及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及剥层水滑石的有机化及其对重金属离子的选择性吸附，具体涉及N–(β–氨乙基)–γ–氨丙基三乙氧基硅烷（简写为KH–791）对剥层水滑石的硅烷功能化制备。该KH–791功能化的剥层水滑石，对过渡金属离子有良好的吸附性能，可用于处理工业废水中的过渡金属离子。

背景技术

近年来，随着工业的不断发展，重金属污染越来越严重，污水处理成为世界各国都非常重视的一项工程，于是各种污水处理材料被源源不断研制出来。水滑石作为一种价格便宜且环境友好型吸附剂受到了众多学者的关注。总结众多水滑石类材料的相关资料发现，非有机修饰的水滑石是通过离子交换的方式吸附金属阴离子含氧酸根、并进而处理水中的金属离子，但这种吸附方式存在其致命缺点，即金属离子必须以其含氧酸根阴离子或其它形式的阴离子存在，才能够被水滑石类材料吸附，因为水滑石不能够交换吸附金属阳离子。

鉴于水滑石所存在的上述缺点，对水滑石进行有机修饰成为了必然。首先，研究者以带配位基有机物对水滑石无机层板进行插层，进而利用层间存在的配位基团和重金属离子配位来达到吸附重金属离子的目的。例如，在文献J.Inorganic Chemistry42(2003),1919-1927中，作者首先报道了EDTA插层水滑石对Co²⁺，Ni²⁺和Cu²⁺离子的吸附，随后Pérez,M.R等人在文献J.Applied Clay Science32(2006),245-251中报道了EDTA插层水滑石对Cu²⁺,Cd²⁺和Pb²⁺的吸附性能。后来在文献J.Journal of Colloid and Interface Science331(2009),425-431中专门研究了EDTA插层水滑石对Cu²⁺吸附的稳定性和吸附动力学。但利用插层改性水滑石对金属离子吸附有其局限性，例如，由于有机分子空间体积等因素的存在，水滑石层间被插层进去的有机分子数是有限的，从而使吸附的金属离子数目受到限制。自2005年文献Advanced Materials17(2005),106-109报道胺丙基三乙氧基硅烷通过共价键与水滑石表面羟基链接以来，便有水滑石有机链接修饰研究相关报道。文献J.Chem Asian J,(2009),67-73中，Oh,J.M.Choi等对水滑石层间进行了具荧光性质的有机物链接，并对其在生物制药方面的应用进行了研究，但有关表面改性剥层水滑石及剥层水滑石在污水处理方面应用方面却鲜有文献报道。本专利首先合成了镁铝水滑石、对所合成的水滑石进行了剥层并利用硅烷试剂KH-791[N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三乙氧基硅烷]对剥层水滑石层板羟基进行了有机化修饰，发现所得到的复合材料对废水中某些重金属离子具有良好的吸附及选择性吸附性能，有潜在的工业应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供硅烷功能化剥层水滑石及其制备方法，以及该材料的应用。

本发明提供的硅烷功能化剥层水滑石材料，是用N–(β–氨乙基)–γ–氨丙基三乙氧基硅烷（简写为KH–791）对剥层水滑石进行功能化修饰，其中KH–791与剥层水滑石单层板表面上的羟基通过Si–O–M（M代表水滑石上的金属离子）键相链接。该材料对Cr³⁺、Mn²⁺、Fe²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺和Pb²⁺等过渡金属离子具有吸附性能，可用于工业废水中对这些过渡金属离子的去除。

本发明提供的KH–791功能化剥层水滑石材料的制备方法是：首先合成硝酸根插层型镁铝水滑石，然后利用甲酰胺对其进行剥层处理，使水滑石原多层结构打开进而变成单片层结构（这种剥层处理方式不会使水滑石的无机骨架结构遭到破坏），再把KH–791嫁接到剥层水滑石表面，最终得到KH–791功能化剥层水滑石。

剥层水滑石与KH-791之间的化学反应如下：

KH–791功能化剥层水滑石材料的具体制备步骤如下：