功能化膨胀脆性云母对多组分重金属的吸附机制研究：结构演化与竞争吸附规律

针对重金属复合污染治理难题，西班牙研究团队系统探究了Pb2+、Cd2+和Hg2+在膨胀脆性云母（Na-M2）及其硫醇功能化材料（MEA-M2）上的竞争吸附行为。通过XRD和NMR技术揭示吸附过程中的结构演变，发现竞争吸附导致总容量降低但选择性不变，硫醇修饰显著提升Hg2+吸附。该研究为环境修复中高效吸附剂设计提供了新思路。

　　

重金属污染是当前最严峻的环境问题之一，尤其是铅(Pb²⁺)、镉(Cd²⁺)和汞(Hg²⁺)等有毒金属在废水和土壤中的长期滞留，对生态系统和人类健康构成重大威胁。虽然粘土矿物因其成本效益被广泛用于重金属吸附，但天然粘土的吸附容量有限且易发生金属解吸。近年来，一类新型膨胀脆性云母（层电荷为2的Na-M2和4的Na-M4）因其卓越的阳离子交换能力(CEC)崭露头角，其中Na-M2表现尤为突出。然而，现有研究多局限于单一金属体系，无法反映实际污染环境中多金属竞争的复杂场景。更关键的是，这类材料在竞争吸附中的选择性规律、结构稳定性以及功能化修饰的影响机制仍是未解之谜。

为解决这些问题，来自西班牙的研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表了突破性研究。该工作首次系统考察了Pb²⁺、Cd²⁺和Hg²⁺在Na-M2及其硫醇功能化材料（MEA-M2）上的三元竞争吸附行为，结合X射线衍射(XRD)和核磁共振(NMR)等先进表征技术，从原子尺度揭示了吸附过程中的结构演化规律。研究发现，尽管竞争吸附导致总吸附容量比单金属体系降低20-30%，但材料对特定金属的选择性顺序保持不变；特别值得注意的是，硫醇修饰使Hg²⁺吸附量提升达3倍，而层状结构在吸附后仍保持长程有序性。这些发现为设计下一代环境修复材料提供了重要理论依据。

研究采用的关键技术包括：1）水热法合成膨胀脆性云母Na-M2，并通过巯基乙胺嫁接制备功能化材料MEA-M2；2）采用单金属、二元和三元体系进行竞争吸附实验；3）结合XRD分析层间距变化，²⁹Si/²⁷Al NMR研究局部配位环境；4）通过Pourbaix图分析溶液中金属物种形态。

【材料】
研究团队通过精确控制NaCl、SiO₂、Al(OH)₃和MgF₂的摩尔比（2:3:1:3），经900℃煅烧15小时成功合成Na-M2。功能化材料MEA-M2通过巯基乙胺盐酸盐嫁接获得，XRD显示其层间距从1.25 nm扩大至1.43 nm，证实硫醇成功插入层间。

【吸附容量】
单金属吸附实验显示，原始Na-M2对Pb²⁺吸附量最高（1.8 mmol/g），而MEA-M2对Hg²⁺吸附量达1.2 mmol/g，是Na-M2的3倍。Pourbaix图分析证实溶液中主要存在M²⁺形态，但Hg体系接近Hg₂²⁺转化边界。

【竞争吸附效应】
三元体系中，Na-M2总吸附容量从单金属体系的5.2 mmol/g降至3.8 mmol/g，但选择性顺序始终保持Pb>Cd>Hg。值得注意的是，脱附的Na⁺量始终低于吸附的重金属总量，表明存在除离子交换外的表面络合机制。XRD显示吸附后d₀₀₁间距从1.25 nm增至1.48 nm，且NMR证实AlO₆八面体发生局部扭曲。

【结论与意义】
该研究首次阐明膨胀脆性云母在复杂重金属体系中的竞争吸附机制：1）硫醇功能化通过-SH与Hg²⁺的特异性结合显著提升吸附性能；2）竞争吸附虽降低总容量但不改变固有选择性；3）结构表征证实吸附过程伴随层间膨胀和局部配位环境改变，但长程有序性得以保持。这些发现不仅深化了对粘土矿物吸附机制的理解，更为开发"按需定制"的环境修复材料提供了设计原则——通过精准调控层间化学和表面功能化，可实现对特定重金属的选择性捕获。论文中揭示的结构-性能关系，对发展高效、稳定的重金属污染治理技术具有重要指导价值。