Page 63 - 《精细化工》2020年第7期

第 7 期 李嘉丽，等: 地质聚合物在重金属处理中的应用进展 ·1345·

图 3 地质聚合物的碱活化反应机理
Fig. 3 Alkali activation reaction mechanism of geopolymers

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3 地质聚合物与重金属离子相互作用机理 孔，增加了 Cu 的吸附位点，从而提高了对 Cu 的
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吸附效率。在 25 ℃，pH=6，溶液中初始 Cu 质量浓
目前，地质聚合物用于环境治理的研究主要集 度为 100 mg/L 条件下，使用 2 g/L 的吸附剂反应
中在固体废物及废水领域，均是利用地质聚合物的 120 min，原始粉煤灰和地质聚合物材料对 Cu 的吸
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类沸石结构实现对重金属污染物的吸附和固定 [11] 。 附效率分别为 25.15%和 87.70%。但作者将吸附效
地质聚合物吸附效率高主要源于其带负电荷的三维 率的提高完全归因于地质聚合物材料的介孔结构，
骨架结构为吸附重金属离子提供了更多的吸附位
而忽略了材料表面官能团对吸附的促进作用。
点。这种结构还可以固化有害元素，通过物理和化 DEMIR 等 [15] 以金矿尾矿浆（GMT）为原料，
学机制降低重金属污染物的浸出性 [12] 。
通过浇筑法制备金尾矿地质聚合物（Opt-S），用于
3.1 地质聚合物吸附重金属离子机理 吸附溶液中的 Pb 。FTIR 显示，Si—O—Si 和 Al—
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吸附法是一种有效而廉价的去除水中重金属的 O—Si 键是 GMT 的主要化学键，它们断裂重连，进
方法。地质聚合物对金属离子的物理吸附和解吸过 一步缩聚后形成在 Opt-S 中具有吸附能力的无定形
程如图 4 所示，地质聚合物具有三维立体结构和多 硅铝酸盐凝胶相。并且在 Opt-S 表面观察到—OH 和
孔性，为吸附重金属离子提供了大量的吸附位点。 H—O—H 官能团，对 Pb 的吸附起促进作用。通过
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金属离子经由地质聚合物的介孔迁移，并通过物理 SEM 观察 GMT 和 Opt-S 的形貌，如图 5 所示。GMT
吸附在活性中心累积。由于金属离子与地质聚合物 转变为 Opt-S 后表面介孔结构显著增加，Pb 的吸
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介孔间没有化学键的生成，仅存的范德华力较弱， 附位点也随之增加。材料比表面积由 3.845 m²/g 增加
故通过简单的洗涤工艺、化学处理、热处理，金属 到 74.916 m²/g。在 25 ℃下使用 0.6 g/L 的地质聚合
离子即可从地质聚合物表面解吸。此外，地质聚合 物对 Pb 质量浓度为 60 mg/L 的溶液进行 120 min
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物中暴露的氧原子将促进重金属-O 2 络合物的形成， 吸附实验，吸附效率高达 99.47%。但未考察吸附后
导致重金属在水溶液中沉淀 [13] 。地质聚合物对重金 Pb 的淋出和 Opt-S 解吸后的重复利用性。
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属离子的吸附包括物理吸附和化学吸附，是否产生

化学键是其主要区别。

图 5 GMT (a)和 Opt-S (b)的 SEM 图 [15]
Fig. 5 SEM images of GMT (a) and Opt-S (b) [15]

YAN 等 [16] 利用超声波辅助法制备空心煤矸石

图 4 金属离子在地质聚合物表面的吸附和解吸过程 [13] 微球基地质聚合物（GM/KGP），用于吸附溶液中
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Fig. 4 Illustration of adsorption and desorption process of 的 Cu 、Cd 、Zn 和 Pb 。SEM 显示，掺入空心
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metal ions on the surface of geopolymer [13] 2
煤矸石微球的 GM/KGP 比表面积由 17.59 m /g 提高到
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AL-HARAHSHEH 等 [14] 利用超声波辅助法制备 26.41 m /g，并具有大量的介孔，介孔体积也从
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粉煤灰地质聚合物吸附溶液中的 Cu 。XRD 分析发 0.201 cm /g 增加到 0.330 cm /g。这些介孔为重金属
现，经过地质聚合过程粉煤灰的晶体结构几乎被完 离子提供了更多的吸附位点。此外，FTIR 显示 GM/KGP
全破坏并转化为非晶态，地质聚合物形成更多的介 表面有大量的官能团（如—OH、—SiOH 和—