粘土矿物层间域水化特性及其对疏水性有机污染物吸附的影响

粘土矿物层间域是土壤、水系沉积物等环境介质中疏水性有机污染物（HOCs）的重要吸附场所，对HOCs在环境介质中的归趋及污染控制有重要意义；但目前层间域对HOCs的吸附特征还不够明确，难以为预测HOCs的归趋及提高其污染控制效率提供理论支持。本项目拟从研究粘土矿物层间域的水化特性出发，综合运用原位结构表征、批吸附实验、吸附热力学计算等实验手段，结合分子动力学模拟、量子化学计算等计算机模拟技术，系统考察层间域阳离子类型、粘土矿物电荷来源及电荷密度、层间域空间尺寸效应等对层间域水化特性及吸附HOCs性能的影响，以探明层间域的水化特性，建立层间域微观结构-水化状况-吸附性能间的对应关系；在此基础上，阐明影响HOCs在层间域吸附/脱附行为的关键结构因素，进一步明确层间域的吸附特征。项目预期成果可为调控HOCs在层间域的吸附/脱附行为、提高HOCs污染控制效率、开发新型粘土矿物吸附材料提供理论支持。

粘土矿物层间域是环境疏水性有机污染物（HOCs）的重要吸附场所，对HOCs在环境介质中的归趋及污染控制有重要意义。项目拟研究粘土矿物层间域的水化特征及其主要影响因素，并进一步探讨层间域水化状态与吸附HOCs性能之间的关系。研究中我们采用实验研究与分子模拟相结合的手段，重点探讨了粘土矿物电荷密度、层间域离子类型、层间含水量等因素对层间域水化状态及吸附HOCs性能的影响，在此基础上提出了优化吸附性能的方法，并尝试了吸附有机污染物后废弃粘土矿物的资源回用。研究取得了以下主要结果：（1）明确了带电荷的粘土矿物（如蒙脱石）硅氧烷表面的具有亲水性（可形成氢键），且随电荷密度增加而亲水性增强；粘土矿物层结构膨胀会消耗能量，从而会抑制水分子进入层间，并影响粘土矿物层间域的水化能；层间离子会显著影响粘土矿物的水化特征，长碳链的有机阳离子可通过结构重拍而导致粘土矿物在水溶液中膨胀。（2）发现相对疏水的层间域环境（含弱水化能阳离子、低电荷密度）有利于HOCs吸附，但层结构膨胀会抑制HOCs吸附；层间阳离子的水化作用有助于层结构膨胀，因而一定程度上有助于HOCs的吸附；层间无机离子的水化也会导致水结构的特定排列，并影响粘土矿物的氢键酸/碱特性，进而影响对HOCs的吸附特性。（3）将分子模拟技术与线性溶剂化能关系结合，探明了长碳链有机阳离子改性制备有机粘土吸附HOCs是以分配作用为主、多种吸附机制作用共存；而烷基链形成的有机相对HOCs的亲和性受其堆垛密度影响，高堆垛密度会产生空间位阻效应，导致亲和性能下降。（4）提出了降低减电荷有机粘土层结构坍塌的新方法，增强了其对HOCs的吸附性能；将吸附了有机污染物的粘土矿物进行资源化利用，制备了掺杂型类石墨烯碳纳米材料。上述研究结果共计发表（含接收）SCI 论文14篇，申请发明专利2项（1项获授权）。