合成皂石水凝胶用于选择性染料吸附和乳液膜分离

合成皂石（Laponite）是一种人工合成的二维纳米矿物材料，属于层状硅酸盐，理论结构式为Na_0.7Si₈Mg_5.5Li_0.3O₂₀(OH)₄；其晶片长和宽约0.3-2.5μm，片厚约15-230nm。它的结构单元层由两层Si-O四面体夹一层Mg(Li)离子组成。由于类质同象替代而带有恒负电荷。它可在水中水合形成透明无色的水凝胶分散体，合成皂石水凝胶广泛应用于吸附剂、传感器和伤口愈合材料等领域。提高合成皂石水凝胶的稳定性对于探索其新应用有重要意义。

本研究利用合成皂石的Si-O四面体片层带负电荷的特性，引入三价Al离子置换Mg/Li离子，使Si-O四面体薄片通过Al离子与另一薄片形成键合，从而迅速形成三维空间的交联结构（图1），首次实现合成皂石在水溶液中的快速交联。并根据不同的应用场合制备了微球及膜结构，探索合成皂石在环境处理中的潜在应用。

图1. 不同形貌的硅酸镁锂交联结构示意图

通过XRD分析，证明了Al离子的引入改变了Si-O四面体片层之间的堆积结构（图2a），纯皂石在15.9°，28.1°，42.1°处显示多个衍射峰。对于合成皂石（Lap-Al）样品，仅在22.7°处有一个弥散衍射，这是由于铝离子与SiO₂单元的连接所致。SEM也显示出平整的堆积结构（图2b）。用Al^{3 +}代替Mg²⁺或Li ⁺离子后，不同纳米片之间的连接变得更为紧密，这是形成稳定的Lap水凝胶的原因（图2c）。

图2. （a）XRD结果; （b）微球内部结构；（c）合成皂石的结构变化示意图

研究了6种染料在Lap微球上的吸附性能。根据其带电性能，染料分为阳离子染料（MEB，CV，RB）和阴离子染料（MO，MB，CV）。发现阳离子染料（CV，MEB）比阴离子染料（MB，CR）更容易吸附在微球上。即使在高染料浓度（qe = 7.1 mg / g，C₀ = 100 ppm）下，吸附性能也可保持。最大吸附容量为405 mg / g（MEB）和506 mg / g（CV）。由于微球对阴离子染料吸附性很弱，利用该特点或可实现阴阳离子混合染料的选择性分离（图3）。同时，上述合成皂石具有一定的分子尺寸选择特性，亦可用于选择性吸附分离。

图3. 硅酸镁锂微球的染料选择性吸附，a）结晶紫/甲基橙，b）亚甲基蓝/甲基橙。

用0.5％NaCl溶液进行解吸-吸附循环试验后（图4），经5次循环吸附，Lap微球的MEB吸附容量从41.4 mg / g变为39.5 mg / g，CV从43.5 mg / g变为40.2 mg / g。损失的容量小于8％，表明Lap胶囊具有高吸附容量和出色的稳定性。

图4. 硅酸镁锂微球对CV (a)，MEB(b)的循环吸附图

综上，本研究将铝离子添加到合成皂石溶液中所获得的Lap水凝胶微球可用于混合染料中高效选择性吸附阳离子染料，并为未来利用合成皂石的自交联特性及其与亲水聚合物形成双凝胶体系的特性，应用于吸附材料和生物医药等领域提供了新的可能。

本研究由华东理工大学许振良课题组开展。课题组研究方向为膜材料合成与结构控制，微介孔材料结构调控，超高净电子化学品，膜强化分离与反应过程，集成分离技术处理废水与废气和废弃资源的综合利用等。本论文第一作者为研究生黄海荣，通讯作者为杨虎副教授。

作者：Hairong Huang, Zhenying Liu, Jianhua Yun, Hu Yang (通讯作者), Zhenliang Xu

单位： State Key Laboratory of Chemical Engineering, Membrane Science and Engineering R&D Lab, Chemical Engineering Research Center, East China University of Science and Technology, 130 Meilong Road, Shanghai 200237, China 

论文信息：Preparation of Laponite hydrogel in different shapes for selctive dye

adsorption and filtration separation. Applied ClayScience. February 2021, 105936. https://doi.org/10.1016/j.clay.2020.105936