XAFS研究纳米凹凸棒石吸附金属镍离子的分子机制

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重金属(如金属镍离子)是具有潜在危害的重要持久性有毒污染物。目前,我国重金属污染形势十分严峻,土壤重金属污染治理刻不容缓,而矿物钝化法因其经济高效、环境友好而成为广泛应用的修复手段。本研究所用凹凸棒石是我国苏皖、甘肃等地大量赋存的非金属矿床资源,储量丰富,廉价易得。它是一种天然纳米多孔材料,具有独特的纤维状形貌、链层状结构和优异的胶体性能、吸附脱色性能,是优良的矿物钝化剂。关于Ni(Ⅱ)在凹凸棒石-溶液界面的吸附反应研究,国内外绝大部分研究报道基本停留在宏观水平,对微观机制的探讨较少。为了进一步揭示界面反应机制,本研究采用基于同步辐射的扩展X射线吸收精细结构光谱(Extended X-ray Absorption Fine Structure,EXAFS)对其进行深入探讨,该技术能从分子水平对界面微结构进行分析,得到吸收原子周围短程有序的结构信息(原子间距、配位数等)。基于宏观吸附实验、动力学模型计算、微观显微技术(HR-TEM)和谱学表征手段(XRD、EXAFS),本研究结果表明:低pH条件下,低离子强度时吸附由外圈络合主导,高离子强度时由内圈络合主导;高pH时,吸附由表面沉淀机制主导,生成沉淀相为α-Ni(OH)2,且拟合结果显示,第一壳层为6个氧原子,距中心Ni原子间距为RNi-O=2.07?;第二壳层由6个Ni原子组成,其原子间距为RNi-Ni=3.09?,与文献中报道的α-Ni(OH)2结构一致,且区别于Ni-AlLDH(RNi-Ni=3.06?)和β-Ni(OH)2(RNi-Ni=3.12?)。此外,吸附样第二壳层峰强随着反应时间和初始浓度的增加而变强,表明随着吸附密度增大,沉淀量增多。综上所述,本研究成功应用EXAFS技术阐明了Ni(Ⅱ)在凹凸棒石-溶液界面的吸附机制,发现凹凸棒石可以通过界面化学反应将溶解态镍离子转化成沉淀态的α-Ni(OH)2固体相,为凹凸棒石固定环境中重金属镍的机制提供了分子水平的理论依据,在环境修复方面具有重要意义。
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