作为一种低成本且高效的吸附方法，该技术能够从含有功能间隔剂Gemini表面活性剂的有机蒙脱石水溶液中有效去除常见的酚类污染物

《Microporous and Mesoporous Materials》：As a low cost and highly efficient adsorption of prevalent phenolic contaminants from aqueous solution of organo-montmorillonite functionalized by containing functional spacer Gemini surfactant

本研究通过Gemini表面活性剂（PB和PD）改性蒙脱石制备亲水性吸附剂，探究疏水链和酰胺键对吸附性能的影响，发现PD-MMT对4-NP和4-CP的吸附容量显著更高，吸附机理为疏水作用与O-H···N氢键协同作用，动力学呈伪二级，热力学表现为物理吸附且放热。

　　

王丽燕|丁丽敏

攀枝花大学医学院，中国攀枝花617000

摘要

本研究旨在通过使用Gemini表面活性剂（PB和PD）对有机蒙脱石（PB-MMT和PD-MMT，即O-MMT）进行改性，制备具有疏水性和氢键接受能力的吸附剂，并探讨长烷基链和酰胺键在水溶液中吸附4-硝基酚（4-NP）和4-氯酚（4-CP）行为中的关键作用。采用XRD、BET、SEM、FT-IR、TGA和Zeta电位等不同技术对O-MMT的微观结构、形态和表面性质进行了研究。结果表明，PB和PD的最大添加量为1.0 CEC，其中含有柔性烷基间隔基团的PD在Na-MMT上的负载量（38.22 wt%）明显高于含有刚性烷基间隔基团的PB（36.35 wt%）。O-MMT对4-NP和4-CP的批量实验结果显示，其吸附能力排序为：PD-MMT > PB-MMT。动力学研究显示吸附过程为伪二级反应（R² > 0.99），平衡数据符合Freundlich等温线模型（R² > 0.99），表明吸附过程主要为多层吸附。计算的热力学参数表明，4-NP和4-CP在O-MMT上的吸附为物理吸附且放热。吸附机制表明，疏水相互作用和O-H···N氢键的协同效应是高效去除水溶液中4-NP和4-CP的重要设计因素。

引言

水污染已成为影响人类生存和社会经济发展的重要因素[1]、[2]。这种污染是由于水资源中天然或人为存在的有害化学物质，如酚类化合物、氯化溶剂和烃类。酚类化合物是最重要的工业化学品之一，广泛应用于肥料、农药、塑料、染料、造纸等行业，但其使用会产生大量含酚废水[3]、[4]、[5]。在炼油、炼焦、煤炭加工、石化、造纸等工业过程中都会产生酚类化合物。为避免酚类物质排放到环境中，人们采用了多种处理技术来去除水中的酚类化合物，包括生物处理、传统处理和高级处理方法[6]、[7]、[8]。

目前，多孔吸附剂的吸附技术因其方便性和高效去除有机污染物的能力而受到广泛关注。多孔材料如活性炭[9]、沸石[10]、[11]、有机蒙脱石[12]、共价有机框架（COFs）[13]、[14]、[15]、凝胶[16]等在吸附方面表现出高效性能。特别是有机蒙脱石具有高疏水性、层间结构、大比表面积和高孔隙率等优点，尤其是在功能化和改性方面，使其在酚类化合物分离领域具有巨大潜力[18]、[19]。

蒙脱石由于其易得性、低成本、环保性和无毒性，在水介质中吸附各种有机污染物方面表现出良好效果[20]。然而，天然的Na蒙脱石（Na-MMT）由于表面带负电荷且亲水，无法有效吸附疏水性有机化合物。为了提高吸附能力，人们通常用有机化合物对蒙脱石进行改性。尤其是阳离子型表面活性剂，能够将蒙脱石的表面性质从亲水性转变为疏水性。由两个亲水基团和两个疏水基团通过间隔基团连接的Gemini表面活性剂因其特殊结构而对吸附过程有显著影响[5]。此外，将苯基引入间隔基团也显示出对吸附行为的积极影响（通过2-萘酚和酚的对比吸附实验验证）。但目前尚无关于苯基和酰胺基团对绿色吸附剂吸附性能影响的相关报道。

在本研究中，使用含有苯环或丁基及酰胺键的Gemini表面活性剂改性的蒙脱石来去除水溶液中的4-NP和4-CP。评估了表面活性剂用量、接触时间、pH值、吸附物浓度和温度等因素对吸附效果的影响。同时，还确定了吸附动力学、平衡等温线和热力学参数，以进一步了解吸附过程。本研究旨在为使用Gemini表面活性剂改性Na-MMT提供实用且有意义的指导，并开发出低成本、高效率的O-MMT吸附剂。

材料

4-NP、4-CP、1,4-苯二胺、2-氯乙酰氯、N,N-二甲基十六胺、乙腈、乙醇（EtOH）、丙酮、氯化铵、盐酸（HCl，37%）、氢氧化钠和乙酸乙酯均购自上海阿拉丁生化科技有限公司。Na-MMT购自北京英诺凯科技有限公司，其阳离子交换容量（CEC）为85 mmol/100 g，通过氯化铵-乙醇交换法测定[22]。

FT-IR分析

为了更精确地了解结构特征，首先对Na-MMT、PB-MMT和PD-MMT的FT-IR光谱进行了整合和比较（见图2）。Na-MMT在约3622 cm^?1处的谱带对应于OH结构的振动；3431 cm^?1处的宽谱带对应于H-O-H的伸缩振动；1640 cm^?1处的峰对应于H-O-H的弯曲振动；1092、1032、518和466 cm^?1处的吸收峰属于Si-O结构。

结论

本研究首次设计并制备了含有苯环、丁基和酰胺键的两种Gemini表面活性剂（PB和PD），并将其引入Na-MMT中，用作高效吸附剂以去除水溶液中的4-NP和4-CP。（I）当表面活性剂用量达到1.0 CEC时，这两种表面活性剂在Na-MMT层中形成密集和松散的烷烃型双层结构。（II）研究结果还表明...

作者贡献声明

王丽燕：撰写初稿、软件操作、实验设计、数据分析。丁丽敏：审稿与编辑、项目管理、资金筹集

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了多个资金来源的支持，包括四川省科技计划（项目编号2024JDHJ0047）和攀枝花市科技计划（项目编号2024ZD-S-8、2024ZD-S-34）。