类水滑石的性能及研究进展

类水滑石的性能及研究进展

冯思敏1,2,3,4,刘庆,高世乾

1.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司, 2.陕西省土地工程建设集团有限责任公司, 3.自然资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室, 4.陕西地建土地工程质量检测有限责任公司,陕西 西安 710075

摘要：本文主要从结构、性质、制备方法等方面对类水滑石进行概述，了解到类水滑石是一种阴离子型插层复合材料，并具有酸碱性、离子交换性、记忆效应等特性；经多年研究可人工合成，制备方法包括共沉淀法、离子交换法、焙烧还原法、返混沉淀法等；现已广泛应用于环境污染、催化、生物医药领域中。

关键词：类水滑石；插层复合材料

1. 类水滑石的概述

水滑石是一种阴离子型插层复合材料，是自然界唯一的一种阴离子型粘土。十九世纪四十年代初，霍赫施泰特中首次发现的天然水滑石片岩的矿物沉积物[1]；再到20世纪前几十年时，人们觉察到了水滑石对某些反应拥具有催化作用，便着手对它的结构及构造进行研究；从上世纪末开始，由于当代化学学科的发展和大型精密仪器的广泛应用，使得人们能够对水滑石的世界继续深化研究，得知水滑石层间阴离子可交换，首先研究将无机阴离子插入水滑石，得到各种类水滑石，近来又研究将有机物，甚至药物插入水滑石得到层间距不同，性能迥异的水滑石类化合物。也可以应用到催化、环境保护、功能高分子材料等方面。

2. 类水滑石的结构

类水滑石化合物(hydrotalcite-like compounds，HTLc)[2]，它的层板由金属氢氧化物构成，层板间是由阴离子和一些结晶水构成的，它是具有层状晶体结构的混合金属氢氧化物，通式为[M2+1-xM3+(OH)]x+][An-x/n]·mH2O，其中M2+是二价金属阳离子，M3+是三价金属离子，水滑石层板与层间阴离子通过一定的作用形成稳定层状复合结构，层板间的阴离子用来平衡片层所带的剩余正电荷。水滑石的层板上的离子是Mg2+和Al3+，层板离子可以被大多其他同价离子取代从而形成类水滑石，并且水滑石层间阴离子可交换，既可是无机阴离子碳酸根、硝酸根，也可是在一定的温度和条件下插入有机物比如丙烯酸、氨基酸，从而得到不同性能的插层类水滑石化合物，水滑石的结构如下：

图2 水滑石的结构

3. 类水滑石的性质

3.1 酸碱性

水滑石的的层板间的金属离子显现一定的酸性，但是层间的羟基又显现出一定的碱性，因此水滑石的酸碱性会因层板上的金属阳离子和层间的阴离子的不同而改变。改性后的水滑石经过高温焙烧后，变为复合金属氧化物，可用作碱性催化剂。

3.2 离子交换性

离子交换性[3]主要体现在层间阴离子上，在特定的条件下，用不同的方法可以向水滑石层间插入不同的阴离子，包括无机阴离子，也可以插入有机物，生物药物等大分子物质，并改变水滑石金属阳离子的配比，以得到不同层间距，特定功能的水滑石类化合物。大分子阴离子的插入可使水滑石层间距变大，其阴离子的交换能力与其层间阴离子种类有关，一般情况下“高价阴离子易于通过交换进入层间，低价阴离子易于被交换出来”。

3.3 记忆效应

“记忆效应”是水滑石的一大特性，水滑石在经过焙烧后，层状结构会被破坏，变为复合金属氧化物，但是给焙烧产物中加入阴离子溶液，水滑石的记忆功能会使层状结构重新恢复，因此得到此阴离子插层的水滑石，但是被烧温度尽量不要超过500℃，大多水滑石会在太高温度下破坏而出现不可逆变化。

4.类水滑石的制备方法

类水滑石的的制备方法有很多种，以下几种方法较为常见：

4.1 共沉淀法

人们通常采用共沉淀法合成水滑石类化合物。而且用途较为广泛，因为大多数二价和三价金属阳离子都可以作为水滑石的层板阳离子。因此在实验室的中的可操作性比较强。制备方法一般是在金属阳离子中加入碱液使其产生水和氢氧化物沉淀或者胶状物质。然后使难容物质或胶状物质在一定的温度下搅拌一段时间，并晶化一天，进行抽滤、干燥，在研钵中研磨至粉末，以备用[4]。

4.2 离子交换法

离子交换法的做法是首先合成水滑石前体（一般为硝酸根或者碳酸根），之后将水滑石前体溶解于水中，然后加入其他种类的阴离子，调解pH值，并保持一定的水浴温度，强烈搅拌反应数个小时。由此可得到插层水滑石，原理是根据的层间的阴离子的可交换性而所得[5]。

4.3 焙烧还原法

此方法主要利用水滑石的“记忆效能”，一般情况在500℃以下的情况下将制备的水滑石前体进行焙烧，得到金属层板氧化物，层间原有离子以一定的方式释放出，再将此氧化物加入到其他阴离子溶液中，调节pH，层状结构重新建立，得到重新插层组装的类水滑石化合物。

4.4 返混沉淀法

返混沉淀法[7]的主要做法是首先合成水滑石前体，然后在适量去离子水中加入水滑石前体，形成浆液，然后加一定量的有机酸使浆液澄清，然后将氢氧化钠溶液缓慢加入该澄清溶液中，沉淀又重新生成，最终调解浆液pH，直至沉淀完全生成。用此法合成的类水滑石的晶相单一，结构完整。

5. 类水滑石的应用

最近几年类水滑石引起了人们的广泛兴趣，因为类水滑石的结构和性能决定了其在工业生产技术中有许多潜在应用。因水滑石特殊的离子交换和记忆效应特性，使得水滑石的应用涉及多个学科，在污水治理方面显现出优势，对于水滑石的研究已成为材料科学领域的热点，水滑石及类水滑石因具有特殊的层状结构及物理化学性质，在吸附、催化领域中占有重要位置，可以应用到水处理技术等许多领域，逐渐成为国内外研究的热点之一。

5.1 类水滑石的环境污染的应用

水滑石焙烧产物具有“记忆效应”，阴离子可以进入层板间从而被吸附[8]，也可以通过对类水滑石的改性，得到插层水滑石，负离子可以进入层间从而达到被吸附效果，也可以是基于改性得到插层水滑石，利用插层水滑石与金属螯合，得到性能更好的吸附剂从而对金属阳离子也起到吸附作用。因此在污水治理环境保护领域中有很好的发展前景。

5.2 类水滑石的催化领域的应用

由于水滑石层板上原本由Mg2+和Al3+构成，但是他们可以被大多数过渡金属进行同晶置换，得到多种具有催化作用的类水滑石，并可以作为多相催化剂的前驱体，而且水滑石经过焙烧后形成的氧化物，催化性能更好[9]。

5.3 类水滑石的生物医药领域的应用

类水滑石具有弱碱性和低毒性，可以用作临床药物，可作为一些治疗胃病的抗酸剂，例如胃溃疡。作为抗酸剂时既有传统抗酸剂的优点，又可避免缺钙和缺磷等副作用。

6. 参考文献

[1] 张永, 张艳武. 水滑石类化合物的研究进展[J]. 河南化工, 2007, 24(12): 18~21

[2] 刘艳芳. 水滑石的插层组装、成膜及其缓释性能的研究[D]. 湖南: 中南大学化学化工学院, 2014, 41~46

[3] Trikeriotis M, Ghanotakis D F. Intercalation of hydrophilic antibiotics in layered double hydroxides [J]. International Journal of Pharmaceutics, 2007, 332(1-2): 176~184

[4] 单长青, 杜岑, 蔡兴旺, 等. 双氯酸钠插层镁铝水滑石的制备及其性能的研究[J]. 现代药物与临床, 2012, 27(3): 218~222

[5] 徐金芳, 施炜, 倪哲明, 等. 阴-非离子表面活性剂复合改性水滑石的表面性质研究[J]. 无机化学学报, 2014, 30(5): 997~983

基金项目：陕西省创新能力支撑计划资助（2021PT-053）

作者简介：冯思敏（1991-），女，陕西蒲城人，硕士，工程师，从事环境监测及土地整治工程研究。E-mail:871787254@qq.com