高电荷云母和蒙脱石结构电荷对铜离子吸附和解吸的影响机制
在土壤修复过程中，原位金属稳定修饰剂不仅要求能够强烈吸附金属，而且必须能抵抗金属解吸。像蒙脱石这样高电荷和大比表面积结构的天然黏土去吸附金属铜，它们之间可以通过以下四种方式产生相互作用： ①离子交换吸附：水合Cu2 + ( Cu ( H2O ) 6 2 + )通过静电引力作用与粘土结合；②学吸附：涉及Cu与硅醇( Si-OH )和/或铝醇( Al-OH )官能团之间直接内球配位(即形成离子-共价键)；③团簇(即多核Cu-Cu配合物)：可能是由于少数Cu原子在矿物边缘或基面内键合在一起；④沉淀：可能是由于边缘更广泛的异质形核而形成的。这种结构能够最大限度地减少金属在土壤和水中的扩散，或许能够使被吸附的金属稳定的保留在原吸附位点上，从而达到极好的环境治理效果。
近日，美国Multnomah University、宾夕法尼亚州立大学和康奈尔大学的研究人员在《Applied Clay Science》上，一篇名为“Structural charge location dictates speciation and lability of copper in swelling layer silicates”的文章中，研究了铜离子在高电荷云母和蒙脱石的吸脱附程度，并使用电子顺磁共振光谱（EPR）对于铜离子吸附形态进行了鉴定，探究了矿物结构电荷对最初的吸附形态与铜离子保留机制的影响。在酸性( pH = 5)和低离子强度( I = 1 mM)条件下，高电荷云母和蒙脱石对具有高吸附能力容量，在使用1 mM KNO3的多次解吸步骤中具有高抗Cu解吸能力。并且云母在使用离子强度更高的0.1 M KNO3仍然表现强抵抗作用。金属污染的表层土壤往往呈酸性。为防止在给定离子强度和Cu浓度的情况下，在溶液中生成Cu沉淀以及模拟典型的受金属污染场地的酸性条件，研究中所有实验均在pH=5的条件下进行。并以1 mM KNO3为背景电解质，采用10 g / L云母悬浮液去吸附Cu浓度为5、15、500 mg/L 的处理液，研究云母对铜的吸附。相同条件下，使用蒙脱石吸附Cu浓度为15mg/L溶液中的Cu。之后利用1 mM KNO3对Cu-粘土解吸10次，再利用用0.1 M KNO3 解吸5次。用云母吸附铜浓度分别为 5、15和50mg / L的溶液，云母上的铜浓度分别达到了498、1498、4943 mg/kg（500/1500/5000 Cu-云母），吸附百分比为 99.6 %、99.9 %和98.9 %，随着铜离子浓度增加略微减小；用蒙脱石处理15 mg / L的铜溶液（1500 Cu- 蒙脱石），每千克蒙脱石上吸附有1497mg铜，吸附百分比为99.8%，两者对铜都有很强的吸附作用。用电子顺磁共振光谱表征铜-粘土之间结合形态时，观察到1500 Cu-蒙脱石中，由于夹层中通过弱的外层静电作用与矿物结合的水合铜离子作用，导致在2500 ~ 4000高斯范围内，具有单一有效g值( geff =2.09)，产生了宽广的各向同性信号；而1500/5000 Cu-云母中，由于化学吸附和离子交换吸附产生了不同的g值（gⅡ和g 值），以及以~ 2950高斯为中心的宽信号。研究人员认为虽然蒙脱石晶体边缘同样包含有硅醇-铝醇官能团，但是由于结构电荷较低以及主要为八面体电荷，层间溶胀，导致Cu更容易进入夹层中，而化学吸附少，EPR无法检测出该信号。随后的解吸实验，蒙脱石和云母前10次解吸操作都呈现出较高的抗解吸能力，但利用更高离子强度溶液中进行解吸，云母比蒙脱石更大程度上抵抗了Cu的脱附。并且云母中铜的脱附，各向异性的Cu EPR信号仍然存在，随着脱附步骤的进行，Cu被去除，光谱的形状发生了变化，使得表观gII和g⊥都向较低的g值偏移，Cu-矿物之间共价键增强，说明化学吸附能更有效地吸附Cu，脱附15次之后大多没有静电作用的Cu离子信号；而在1500 Cu-蒙脱石中，随着脱附步骤的增加，蒙脱石中水合铜离子的各向同向信号完全消失。Cu被K交换过程中，蒙脱石层间距不会降低，而云母由于高电荷结构导致层间坍塌，造成离子交换反应减弱，以及更高比例的化学吸附铜。
与蒙脱石相比，研究中使用的云母对于Cu产生了更强的配位作用，在酸性条件下，云母对Cu的固定更具潜力。该云母的高电荷及其抗性Cu脱附特征，使其成为一种有前途的原位金属稳定剂。
（AMSC JY HE 编报）
相关资讯：
第六届（世界）非金属矿科技和产业论坛
‘Mineralogy 2022’ will be a worldwide celebration of mineralogy to highlight its importance in our everyday lives.
相关资讯：
第六届（世界）非金属矿科技和产业论坛
本届 青阳论坛 已经列入 国际 “矿物2022”活动之一，“矿物2022”是联合国（教科文组织）“国际基础科学促进可持续发展年(IYBSSD2022)”批准的系列活动之一。
‘Mineralogy 2022’ will be a worldwide celebration of mineralogy to highlight its importance in our everyday lives.
Approved by UNESCO, it is part of the ‘International Year of Basic Sciences for Sustainable Development’ (IYBSSD2022).
重要：摘要 投稿 2022年9月30日 22：00 截止 （也可以不投摘要，直接联系 各分会召集人 安排报告；2022年9月30日 前）。
点击进入 会议报名注册和服务系统 扫码或识码进入 会议报名注册和服务系统
第六届（世界）非金属矿科技和产业论坛
(暨 中国矿物岩石地球化学学会第十届矿物物理矿物结构专业委员会 2022年会）
主题：非金属矿产业高质量发展中的科技初心和使命
The 6th World Forum on Industrial Minerals (WFIM-6)
The 6th World Forum on Industrial Minerals (WFIM-6)
Theme: Science and Technology for Non-metallic Mineral Industry of High-quality
（第一轮预通知）
安徽省 池州市 青阳县
Qing Yang (Jiu Hua Shan), Chi Zhou City, China
日期：2022年11月5日（星期六）至 8日（星期二）
November 5-8, 2022
会议语言： 中/英语
——The motivation comes from the specific scientific and technological targets we QYIM have, like to transform our current linear chemical economy into a circular economy approach.