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聚羟基铝的纳米特征及应用发展

如上所述,聚羟基铝在水解-聚合-沉淀等系列反应过程中的形态转化及分布,一直是历年文献中研究与争论的热点,其定量规律至今更是尚无定论。但是,这一现状并没有影响到羟基聚合铝的广泛应用。除用于水处理混凝工艺外,羟基聚合铝在其他领域的应用也日益引起国内外的广泛关注。
整体上,铝盐水解聚合形态大致可分为三类:单核羟基铝化合物、多核或聚羟基铝化合物以及胶态或无定形氢氧化物沉淀。其中,对于形态结构已经较为清晰、相对分子质量较大、正电荷较高、易于纯化制备的Keggin-Al13和Al30(尤其是前者)的关注尤为突出。这种具Keggin结构的纳米形态及其聚集体通常具有不同的物理、化学及生物学性能,已成为目前国内外众多领域研究开发的前沿热点。
Bottero等及Bertsch和Parker的研究指出,聚合铝Al13形态具有十二面体结构,分子直径约为1.08nm。它含有大量羟基和水分子,趋向于自组装形成聚集体,其聚集体粒径为100-200nm,因此具有纳米级物质的特性。它在碱化度B<2.3的水解铝溶液中,以离散的球形颗粒存在;在2.3<B<2.6的溶液,以线型球簇链束结构存在。Al13聚集体具有表面官能团丰富,反应活性强;微界面络合能力,吸附能力强;高电荷(+7),电中和作用强;核心四面体结构,抗水解,稳定性强;聚集体链束状结构,Sol-Gel絮凝架桥能力强;定向制备可控,结构形态均质等优点,在各种形态羟基铝中尤其受到人们的关注与重视。
除用于水处理混凝工艺外,Al13及Al30在水化学、地球化学、土壤化学、黏土矿物,尤其纳米复合材料等众多领域的应用也日益引起国内外的广泛关注。纳米级聚合铝尤其是Keggin-Al13在石油、化工、石油、陶瓷、电力、航天等工业方面有许多应用,如作为化学反应催化剂、粘土柱撑剂、油/水分离剂、水泥速凝剂、耐火材料的黏合剂、布匹防皱剂等。在生物医药制品上,可用作涂覆剂、传送剂、化妆品、止汗剂等,如采用高浓度Al13制备纳米胶囊壳。此外,也有报道用作分子筛、电子元件、离子交换剂等。
研究组探讨了不同纯度Al13柱撑蒙脱土对蒙脱土表面积、孔隙体积和一些其他理化性质的改善特征。结果表明,高纯Al13柱撑蒙脱土可几何倍数提高蒙脱土孔隙均匀度、砷吸附速率以及吸附量。实际上,All3所携带的高正电荷(+7),也可在改善蒙脱土吸附性能中起重要作用。改性后蒙脱土相关理化性能的极大提升主要得益于高纯Al13的可预制性及其特殊结构。当然,目前已有部分研究探讨Al30柱撑矿物及其在污染防治、催化载体等方面的应用。
近年来,己有研究者以Al13作为独立纳米材料,探讨其在蓝宝石C面单晶等矿物微界面上的行为特征及吸附络合反应模式。也有研究者以Al13等13聚合体纳米颗粒为研究对象,对比分析不同金属纳米颗粒在碳纳管上吸附行为的机理差异。此外,部分研究者还探讨了Al13与酚基有机物的络合反应过程。整体上,鉴于Al13%、Al30的可纯化制备及分子结构较为清晰的特征,势必会有越来越多的研究将Al13、Al30等典型聚合氯化铝作为典型纳米聚合体或分子模型探讨矿物界面的微观反应过程,推动羟基聚合铝更为广泛的应用。

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