海泡石纳米纤维的微结构调控及表面阳离子迁移转化行为研究

Sepiolite mineral nanofibers have many nanopores along the growth direction and inside the internal walls of the nanofibers. The nanopores give the fibers unique properties and broad potential applications in high-tech fields such as energy saving building insulation materials, nanofiber reinforcement composite and catalyst carriers. China has rich sepiolite mineral resources, but natural sepiolite exists in the form of nanofiber bundles which put a limitation on its large scale application and efficient utility. This project mainly studies the following aspects of defibering and performance optimization: defibering process regulation of sepiolite mineral nanofibers, structural optimization and removal and control of impurities in the micropores of sepiolite mineral nanofibers, the relationship between microstructure regulation and surface cation migration and transformation behavior in sepiolite mineral nanofibers, and performance optimization on heavy metal ions adsorption by sepiolite nanofibers. The project focuses on understanding the regulation method of sepiolite mineral nanofibers microstructure, establishing the relationship between microstructure of the mineral nanofibers and cation migration and transformation behaviors on their surface and fabricating functional materials that have high efficiency in adsorping heavy metal ions. It will lay the theoretical and experimental foundation for the development of low cost and low environmental footprint functional materials with effective purification performances. The study will improve the technical and theoretical depth of sepiolite mineral materials processing. This study also presents an opportunity to process the sepiolite mineral materials into extremely useful sepiolite nanofibers with high added value which will enhance their competitiveness among inorganic non-metallic mineral materials in the international market.

海泡石矿物纳米纤维具有许多纳米级轴向孔及侧壁孔，在隔热保温节能、纳米纤维强化材料、催化剂载体等高技术领域具有广阔应用前景。我国海泡石矿物资源丰富，但天然海泡石以纳米纤维集合体束状形式存在，在很大程度上限制了海泡石矿物纤维的应用领域和使用效果。本项目主要研究海泡石矿物纳米纤维深度解束过程控制；海泡石矿物纳米纤维孔结构优化及孔微区内含物去除机制与控制；海泡石纳米纤维的微区结构调控与表面阳离子迁移转化行为之间关系；海泡石纳米纤维吸附重金属离子性能优化。重点攻克海泡石矿物纳米纤维微结构调控方法；建立矿物纳米纤维微结构与其表面阳离子迁移转化行为之间的关系；制备出高效吸附重金属离子的功能材料，为开发低成本、低环境负荷高效环境净化功能材料奠定理论与实验基础。通过本研究可以提升海泡石矿物高附加值深加工的技术水平和理论水平，增强无机非金属矿物材料国际市场竞争力。

海泡石矿物纳米纤维具有许多纳米级轴向孔及侧壁孔，在隔热保温节能、纳米纤维强化材料、催化剂载体等高技术领域具有广阔应用前景。我国海泡石矿物资源丰富，但天然海泡石以纳米纤维集合体束状形式存在，在很大程度上限制了海泡石矿物纤维的应用领域和使用效果。本项目主要研究了海泡石矿物纳米纤维深度解束等过程的控制；海泡石矿物纳米纤维孔结构优化及孔微区内含物去除机制与控制；海泡石纳米纤维的微区结构调控与表面阳离子迁移转化行为之间关系；海泡石纳米纤维吸附重金属离子性能优化。研究结果表明，通过提高海泡石矿物纯度、白度等方面及海泡石矿物纳米纤维深度解束过程控制方法的深入研究，可得到平均直径小于70 nm且平均长径比大于15: 1的样品。微波-过氧化氢法可对海泡石矿物纳米纤维及孔道结构起到了有效的调控作用，海泡石的比表面积和孔容积可分别提高到2.6倍和1.6倍；以镉离子为例的研究结果可以发现，海泡石矿物纳米纤维对重金属阳离子镉离子有良好的吸附性能，纳米纤维表面镉离子的输运与转移在60min时基本达到平衡，基于驱动因素作用机制的不同，可将镉离子的输运与转移过程分解为若干个子过程，且全过程符合准二级动力学方程；吸附规律可用Langmuir等温吸附模型描述，镉离子饱和吸附容量可达21.49 mg•g-1；扩散过程为熵推动过程，内扩散为主要的控速步骤；吸附过程为吸热反应过程，以化学吸附作用为主。本研究攻克了海泡石矿物纳米纤维微结构调控方法；建立了矿物纳米纤维微结构与其表面阳离子迁移转化行为之间的关系；制备出的高效吸附重金属离子功能材料可为开发低成本、低环境负荷高效环境净化功能材料奠定理论与实验基础。通过本研究可以提升海泡石矿物高附加值深加工的技术水平和理论水平，增强无机非金属矿物材料国际市场竞争力。在本项目研究过程中，依托海泡石纳米纤维材料的微观结构调控及性能优化的方法，将研究范围拓宽到海泡石族一维纳米材料微观结构调控及高附加值应用研究中，取得了丰富的研究成果，在国际著名期刊发表SCI收录论文7篇及EI收录论文1篇，申请3项专利均已获国家发明专利授权。