[发明专利]一种用于吸附有机气体的水铝英石材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于吸附有机气体的水铝英石材料及其制备方法。所述的水铝英石材料的制备是在铝硅酸盐纳米矿物水铝英石的水热合成过程中，通过置换原料中的硅烷，直接将有机基团引入水铝英石内表面，从而制备出疏水性的水铝英石材料。所制备的水铝英石材料的单颗粒呈空心球状，其外径约5nm，内径约3nm；该材料比表面积和孔容较大，对苯、甲苯和环己烷等有机气体具有良好的吸附性能。此外，本发明提供的用于吸附有机气体的水铝英石材料的制备方法简单，制备条件温和，能耗低，无污染，应用前景广阔。

技术领域

本发明涉及有机气体吸附领域，具体涉及一种用于吸附有机气体的水铝英石材料及其制备方法。

背景技术

有机气体是一类常见的大气污染物，它们主要来源于化石燃料的燃烧、汽车尾气的排放、建筑及装修材料中有机溶剂的挥发等。大多数有机气体具有刺激性和毒性，可致癌、致畸、致突变，还可充当光化学烟雾的前驱体，对环境和人类健康危害严重。目前，有机气体的治理方法主要包括吸附法、燃烧法、生物法和光催化降解法等。其中，吸附法由于工艺成熟，能耗低，去除效率高等优点，应用最广泛，也最经济有效。

吸附剂是吸附法应用的关键。纳米空心球材料由于具有丰富的微孔、较高的比表面积和较大的孔容等特殊的结构和性质，近年来被应用于吸附甲醛、丙酮和乙醚等有机气体。然而，复杂的制备流程和高昂的经济成本制约着纳米空心球材料在有机气体吸附领域的实际应用。因此，亟需寻找制备工艺简单、价格低廉的纳米空心球材料。

水铝英石(1～2SiO₂·Al₂O₃·5～6H₂O)是一种天然矿物，属于低结晶度的纳米空心球状铝硅酸盐矿物。它广泛产出于土壤等多种地质环境中，在我国有着丰富的储量；同时，也可通过简单的水热反应进行制备，是目前仅有的可通过水热法进行批量合成的单壁纳米空心球材料。

水铝英石由一层卷曲的似三水铝石片构成外部骨架，骨架内侧的铝羟基被原硅酸基团或其低聚体取代。其空心球外径约5.0nm，球壁厚度约0.7～1.0nm，球壁上分布着直径约0.35nm的孔洞。水铝英石丰富的微孔以及高的比表面积(约为几百至一千平方米每克)使其对废水中的重金属离子(如铅离子、镉离子等)和各种阴离子(如氟离子、磷酸根、砷酸根等)具有良好的吸附性。然而，水铝英石表面含有大量的羟基(包括外表面的铝羟基和内表面的硅羟基)，呈现出较强的亲水性，这显著降低了其对有机气体分子，尤其是疏水性有机气体分子(如苯、甲苯等)的亲和性。研究表明，通过对吸附剂进行硅烷化改性，使其表面由亲水性转变为疏水性，能够显著提升其对有机气体分子的吸附性。然而，由于水铝英石颗粒非常细小且球壁上的孔洞极其细微，通过普通的硅烷化改性方法难以改善其表面的疏水性以提高其对有机气体的吸附性能。

中国发明专利《一种通过超声制备有机无机杂化中空纳米球的方法》(专利号：106317425A)通过超声法制备了一种有机-无机杂化中空纳米球。该纳米球是将水、pH调节剂、硅烷偶联剂和油相混合后超声处理，加入自由基引发剂引发聚合反应，然后洗涤得到。该材料壳层由含硅聚合物构成，且带有双键聚合后的有机链段部分，为有机-无机杂化结构，兼具亲水和亲油的特性。然而，该材料制备方法属于界面乳液聚合法，需要用到带双键的硅烷偶联剂、乙酸异戊酯等酯类(油相)和自由基引发剂，生产成本较高，且易造成污染。另外，所得中空纳米球材料的粒径为亚微米级(100nm以上)，限制了其在真正纳米尺度(0.1～100nm)上的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服纳米空心球材料制备工艺复杂，价格高昂，以及水铝英石纳米空心球材料亲水性强且表面难以改性的缺点，提供一种用于吸附有机气体的水铝英石材料及其制备方法。本发明的用于吸附有机气体的水铝英石材料不但具有独特的纳米空心球状结构、丰富的微孔和较高的比表面积，而且其内表面含有有机基团，疏水性较强。同时，所制备的水铝英石材料对苯、甲苯和环己烷等有机气体具有良好的吸附性能。