1. Обзор аттапульгита
Аттапульгит (Mg₅Si₈O₂₀(OH)₂·4H₂O) — глинистый минерал с наностержневой морфологией кристаллов. Длина кристалла составляет около 0,5–5 мкм, диаметр — около 20–70 нм, с регулярными наноканалами размером 0,37 нм × 0,64 нм. Это водный магнийалюмосиликатный глинистый минерал со слоистой цепочечной структурой. Компания Epic Powder Machinery специализируется на технологии струйного измельчения. Струйная мельница MQW40 компании Epic Powder обеспечивает эффективную обработку порошка аттапульгита.
Аттапульгит обладает большой удельной поверхностью, поверхностным зарядом и катионообменной емкостью. Это позволяет широко использовать его для получения адсорбентов, клеев, осушителей, катализаторов, пищевых добавок и функциональных композитов. Он играет незаменимую роль в качестве базового материала в таких областях, как химическая инженерия, катализ, защита окружающей среды и создание новых материалов. Измельчение аттапульгита — важнейший этап предварительной обработки, направленный на увеличение его удельной поверхности и повышение адсорбционной способности.
Основные структурные параметры, изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ).
Изображения, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ).
2. Физико-химические свойства и поверхностная модификация аттапульгита
2.1 Адсорбция
Значительная площадь поперечного сечения каналов и уникальная кристаллическая структура аттапульгита способствуют его адсорбционным свойствам. Механизмы адсорбции включают в себя физическую и химическую адсорбцию. Физическая адсорбция осуществляется посредством сил Ван-дер-Ваальса. При химической адсорбции образуются ковалентные связи при разрыве кислородных мостиков Si-O-Si, что позволяет адсорбировать адсорбированные молекулы. Поверхностная модификация аттапульгита может улучшить его адсорбционные свойства.
Аттапульгит эффективно удаляет примеси, такие как металлы, сера и асфальт, из нефтяных углеводородов, а также красящие и вредные компоненты из жиров, минеральных и растительных масел. Он также обладает превосходной адсорбционной способностью по отношению к тяжёлым металлам (например, Cr³⁺, Hg²⁺). Он широко используется в качестве дезодоранта, фильтрующего средства, очистителя и обесцвечивателя в природоохранной отрасли. Процесс измельчения аттапульгита обычно включает механическое дробление и измельчение для достижения желаемого гранулометрического состава.
2.2 Катализ
Аттапульгит, природный наноматериал с наноканальной структурой, характеризуется наночастицами и высоким соотношением сторон. Он обеспечивает наличие множества наноканалов и активных центров. Поэтому он может выполнять функции как катализатора, так и носителя катализатора.
2.3 Коллоидные и суспензионные свойства
Под действием сдвигающих усилий аттапульгит способен диспергироваться, образуя хаотичную трёхмерную сетчатую структуру в воде и других средах. При более низких концентрациях коллоиды аттапульгита обладают высокой вязкостью и сохраняют высокую устойчивость суспензии в солевых растворах, а также обладают хорошей солестойкостью, щелочестойкостью, термостабильностью и реологическими свойствами. Поэтому он используется в качестве циркулирующего бурового раствора на нефтяных месторождениях и в качестве добавки в покрытия.
2.4 Другие свойства
Аттапульгит обладает очень большой удельной поверхностью и высокой ионообменной способностью, что позволяет широко использовать его в качестве осушителя, влагопоглотителя, адсорбента, носителя катализаторов и антимикробного средства. Благодаря особой игольчатой и волокнистой кристаллической структуре он нетоксичен, не имеет запаха, не вызывает раздражения, химически стабилен, легко сушится и обладает низкой твёрдостью, что делает аттапульгит отличным наполнителем для полимерных материалов. Эффективное измельчение аттапульгита позволяет частично разрушить его стержневидные кристаллические связки, тем самым обнажая больше активных центров.
2.5 Модификация аттапульгита
Уникальная структура и свойства аттапульгита обладают высокой практической ценностью. Однако его кристаллическая структура ограничивает его адсорбционные свойства. Поэтому после очистки аттапульгита необходима модификация его поверхности для дальнейшего увеличения удельной площади поверхности, поверхностного заряда и размера каналов, что позволит улучшить его адсорбционные и опорные свойства.
Методы модификации аттапульгита
| Метод модификации | Основной принцип | Направление подачи заявления |
| Термическая обработка | При нагревании аттапульгит теряет адсорбированную, цеолитовую, кристаллическую и структурную воду; удельная площадь поверхности увеличивается, диаметр наноканалов расширяется, что повышает эффективность адсорбции. | Присадочные материалы, термообработка |
| Кислотная модификация | Обработка кислотой замещает катионы в структуре; катионы октаэдрического листа растворяются, заменяясь ионами водорода; образуются разорванные связи, увеличивая удельную площадь поверхности и активность. | Очистка воды, обесцвечивающие средства |
| Щелочная модификация | Обработка щелочью изменяет структуру кристаллической фазы, вызывая трансформацию; катионы металлов подвергаются коррозии, что увеличивает поверхностный отрицательный заряд и активные центры; наноканалы расширяются, увеличивается удельная площадь поверхности. | Очистка воды, адсорбция ионов |
| Модификация соли | Обработка солью увеличивает количество обменных катионов, изменяет поверхностный заряд, увеличивает внутренние наноканалы и усиливает адсорбцию. | Водоподготовка, адсорбция ионов, очистка почвы |
| Комбинированная модификация | Совместное использование кислоты, щелочи, соли и т. д. для улучшения характеристик адсорбции. | Водоподготовка, несущие материалы, очистка почвы |
| Органическая модификация | Органическая обработка формирует на поверхности органический монослой, придавая органо-неорганические двойственные характеристики, изменяя гидрофильность/липофильность и расширяя спектр применения. | Поверхностно-активные вещества, связующие агенты |
В настоящее время основные процессы модификации включают термическую модификацию, неорганическую модификацию (кислотную, щелочную, солевую модификацию) и органическую модификацию. Среди них наиболее распространена кислотная модификация. Многие исследователи применяют кислотную обработку аттапульгита, в то время как исследования солевой модификации относительно ограничены. Солевая модификация более экологична, чем кислотная модификация, и может быть более подробно изучена в будущем из-за ее низкого углеродного следа. Органическая модификация также имеет явные преимущества по сравнению с неорганическими методами, причем чаще всего используются поверхностно-активные вещества и связующие агенты. Большинство исследований по-прежнему сосредоточены на методах одиночной модификации, которые в настоящее время достаточно хорошо разработаны. Поэтому рассмотрение комбинированных модификаций, которые используют преимущества нескольких методов, может повысить эффективность модификации. Эффективность последующих модификаций, таких как кислотная или термическая обработка, сильно зависит от степени измельчения аттапульгита.
3. Применение и прогресс исследований аттапульгита
3.1 Переносчик лекарств
Благодаря большой удельной поверхности и высокой адсорбционной способности аттапульгит широко используется в качестве носителя для высококонцентрированных порошкообразных пестицидов. В качестве матрицы для гранул. В частности, для жидких пестицидов, переработка в высококонцентрированные порошки или смачиваемые порошки с использованием аттапульгита в качестве носителя позволяет регулировать текучесть и диспергируемость состава. Реологические и загущающие свойства аттапульгита обуславливают его широкое применение в качестве загустителя в суспензиях пестицидов.
Процесс приготовления высокоэффективного носителя пестицидов из аттапульгита
Двухступенчатый метод дезактивации позволяет получать высокоэффективные глинистые продукты. После инертной модификации кислотность поверхности аттапульгита увеличивается с pKa < 1,8 до pKa > 3,3, при этом удельная площадь поверхности практически не изменяется. Модифицированный аттапульгит может использоваться в качестве носителя пестицидов. Испытания на стабильность показывают, что его эффективность сопоставима с эффективностью кремниевых носителей. При этом сохраняются сильные адсорбционные свойства аттапульгита, что позволяет решить такие проблемы, как узкая область применения и короткий срок хранения.
Помимо производства интеллектуальных пестицидов с замедленным высвобождением, аттапульгит также используется в производстве лекарственных средств для потребления человеком. Он служит адсорбентом, суспендирующим агентом и вспомогательным веществом в различных лекарственных средствах. Для аттапульгита существуют национальные стандарты, и он признан безопасным фармацевтическим материалом.
3.2 Каталитические носители
Благодаря своей пористой структуре аттапульгит ускоряет реакции при адсорбции реагентов во внутренних каналах. При диффузии реагентов из этих каналов кристаллическая решетка аттапульгита сохраняется, что делает его идеальным носителем для катализаторов. Высокоэффективные металлы, оксиды и соли металлов могут быть равномерно загружены в аттапульгит, что способствует полному раскрытию активных центров и переносу активных веществ, значительно повышая каталитическую активность. В настоящее время аттапульгит широко используется в каталитической фиксации азота, разложении загрязняющих веществ в воде, удалении атмосферных загрязнителей и реакциях выделения кислорода. При получении композитных материалов контролируемое измельчение аттапульгита обеспечивает его равномерное распределение в полимерной матрице.
3.3 Материалы-носители для хранения энергии
Сам аттапульгит непроводящий и не может быть напрямую использован в качестве электрохимического накопителя энергии. Однако существующие технологии, такие как темплатирование и диффузия расплава, позволяют вводить в аттапульгит электроактивные материалы, что позволяет применять его в области электрохимического накопления энергии. Коммерческие анодные материалы для литий-ионных аккумуляторов состоят в основном из углеродных материалов, обладающих низкой удельной ёмкостью. Аттапульгит можно восстановить посредством реакции с алюминиевым термитом для получения кремния, производного от аттапульгита (SiATP), который может заменить углерод в качестве анодного материала в аккумуляторах.
3.4 Коллоидные материалы
При диспергировании в воде или других низкоконцентрированных растворах аттапульгит образует отдельные стержневые кристаллы или более мелкие пучки, которые затем переплетаются под действием сил Ван-дер-Ваальса, образуя сетчатую структуру, что приводит к образованию высоковязкой суспензии. Это демонстрирует превосходные коллоидные свойства, что делает аттапульгит важным компонентом загустителей, буровых растворов и покрытий.
3.5 Осветлители напитков и косметические добавки
Пищевая промышленность: аттапульгит действует как обесцвечивающий и осветляющий агент, обеспечивая более 70% обесцвечивания и 90% осветления пищевых масел и напитков.
Косметическая промышленность: используется в средствах защиты от ультрафиолета, контроля жирности кожи и восстановления кожи.
3.6 Экологические адсорбирующие материалы
В настоящее время он активно удаляет тяжёлые металлы, органические красители, антибиотики и другие загрязнители из сточных вод. Недавние исследования также изучили его применение для адсорбции или обогащения радиоактивных материалов в атомной промышленности. Благодаря значительному прогрессу в исследованиях модификации, спектр загрязняющих веществ, которые может адсорбировать аттапульгит, постоянно расширяется. Измельчение аттапульгита повышает эффективность удаления загрязняющих веществ за счёт создания более доступных пор и каналов для диффузии.
Основные механизмы адсорбции загрязняющих веществ
| Тип загрязнителя | Ионы металлов | Молекулы красителя | Неметаллические ионы | Ионы радиоактивных металлов |
| Основные механизмы адсорбции | Электростатическое взаимодействие, химическое комплексообразование, катионный обмен, поверхностное осаждение | Адсорбция в порах, электростатическое взаимодействие, водородные связи, химическое комплексообразование | Адсорбция в порах, электростатическое взаимодействие | Электростатическое взаимодействие, химическое комплексообразование |
3.7 Антимикробные материалы
Хотя аттапульгит не обладает высокой антибактериальной активностью, его пористая структура и поверхностная активность позволяют накапливать активные антибактериальные агенты для создания композитных антибактериальных материалов. С одной стороны, аттапульгит способен физически адсорбировать бактерии, нарушая проницаемость клеточной мембраны и препятствуя нормальному обмену веществ с окружающей средой. С другой стороны, стержневидные кристаллы аттапульгита обладают эффектом прокола иглой. Он может повреждать клеточные стенки и мембраны бактерий, инактивируя их.
Создание антибактериальных металлических композитов: аттапульгит имеет регулярные наноканалы и поверхностные функциональные группы. Благодаря явлениям изоморфного замещения, происходящим при его формировании, аттапульгит несёт постоянный отрицательный заряд и образует множество дефектов или остаточных связей в своей структуре. Это демонстрирует высокую адсорбционную способность к молекулам пигментов, ионам тяжёлых металлов, красителям и антибиотикам.
Аттапульгит, содержащий бромид додецилтриметиламмония, повышает антибактериальную эффективность при низкой биотоксичности.
Фотокатализатор ванадат висмута/аттапульгит расщепляет антибиотики в 1,4 раза быстрее, чем чистый ванадат висмута.
Помимо вышеупомянутых антибактериальных материалов, аттапульгит демонстрирует хороший потенциал применения в композитных материалах для каркасов и материалах для заживления ран. Однако фактическое применение аттапульгита в биомедицине всё ещё относительно ограничено, что требует ускорения разработки медицинских изделий на его основе. Высокая адсорбционная способность аттапульгита используется в быстродействующей гемостатической марле, а также в ортопедических и стоматологических заменителях, использующих его антибактериальные свойства и биосовместимость. В кормовой промышленности измельчение аттапульгита необходимо для достижения мелкодисперсности частиц, необходимой для эффективной адсорбции токсинов и равномерного смешивания.
3.8 Аттапульгитовые пломбировочные материалы
Уникальная волокнистая морфология аттапульгита не только обуславливает его особые свойства наноматериалов, но и обеспечивает превосходные наполняющие свойства. Это позволяет применять его для армирования полимеров и производства бумаги. В отличие от традиционных наполнителей, таких как карбонат кальция, каолин и тальк, широко используемых в производстве бумаги, волокнистый аттапульгит обладает лучшей совместимостью с растительными волокнами. В процессе переработки пластмасс наполняющие свойства аттапульгита значительно превосходят другие неорганические наполнители. Он улучшает механические, термические и кристаллизационные свойства пластмасс. Оптимизация параметров измельчения аттапульгита, включая время и энергозатраты, является ключом к достижению баланса между производственными затратами и повышением производительности.
3.9 Фрикционные материалы
Фенольная смола (PF), как типичная термореактивная смола, широко используется во фрикционных материалах благодаря своей высокой термостойкости, превосходным механическим свойствам и хорошей технологичности. Однако низкая ударная вязкость и высокий коэффициент трения чистой PF ограничивают ее применение в твердых смазках. Модификация молекулярной структуры, легирование резиновыми частицами и армирование волокнами могут оптимизировать трибологические свойства композитов PF. Исследования показывают, что одномерные нановолокна аттапульгита (AT) проявляют значительный синергетический эффект улучшения при использовании в сочетании с высокомодульными микроволокнами (CF, GF) в композитах PF. Когда аттапульгит составляет 20% массовой доли, прочность на сжатие мульти-нанокомпозитных материалов GF/AT/PF и CF/AT/PF превышает 400 МПа. Это демонстрирует чрезвычайно высокую несущую способность.
3.10 Материалы для животноводства и кормовые добавки
В животноводстве аттапульгит может служить адсорбентом для улавливания тяжёлых металлов, микотоксинов, бактерий и бактериальных токсинов, тем самым поддерживая целостность барьера слизистой оболочки кишечника животных. Более того, как неорганическая, так и органическая модификация может усилить его биологическую активность, при этом модифицированный аттапульгит проявляет хорошие антибактериальные свойства. Исследования показали, что добавление аттапульгита в корм может усилить иммунитет слизистой оболочки кишечника и антиоксидантные функции. Он также может регулировать баланс кишечной микрофлоры, улучшать морфологию слизистой оболочки кишечника, стимулировать рост и развитие животных и повышать продуктивность. Аттапульгит также может эффективно смягчать повреждение барьера кишечника животных, вызванное патогенами.
Учитывая его многочисленные преимущества, аттапульгит может служить связующим веществом для гранул, носителем микроэлементов и адсорбентом тяжелых металлов в кормах.
Функциональные характеристики аттапульгита в кормах
3.11 Добавки к материалам литиевых аккумуляторов
В последние годы исследователи активно изучали глинистые минералы, представленные аттапульгитом, в секторе аккумуляторов и обнаружили, что аттапульгит подавляет рост литиевых дендритов, открывая новый подход к защите анодов литий-металлических аккумуляторов.
Исследования показали, что нанесение аттапульгита на волоконные мембраны может быть эффективным средством защиты анодов литий-металлических аккумуляторов. Для электрохимических испытаний были собраны симметричные аккумуляторы и полностью литий-железо-фосфатные аккумуляторы. Исследования показывают, что волоконные мембраны, содержащие аттапульгит, эффективно подавляют рост литиевых дендритов. Напряжение поляризации α составило всего 83,2 мВ после 500 часов циклирования при ёмкости осаждения 1 мА·ч/см² и плотности тока 2 мА/см². Полностью аккумулятор с добавлением аттапульгитовых волоконных мембран сохранял разрядную ёмкость 84,92 мА·ч/г после 1000 циклов при токе 1С.
Заключение
В последние годы уникальная стержневая структура и канальная архитектура аттапульгита привлекли внимание к точной и целенаправленной разработке новых нанофункциональных материалов. Ожидается, что эти продукты будут отвечать требованиям приложений в области адсорбции, катализа и композитных материалов. По мере углубления фундаментальных и прикладных исследований процесс применения аттапульгита в нанофункциональных приложениях будет совершенствоваться. Это способствует разработке передовых минеральных функциональных материалов и постоянному повышению добавленной стоимости продукции. Этот прогресс будет способствовать модернизации производственной цепочки аттапульгита и устойчивому развитию промышленности.
О Epic Powder
Epic Powder Machinery специализируется на технологии струйного измельчения. Наша струйная мельница MQW40 обеспечивает эффективную обработку материалов, улучшая их свойства для различных применений. Благодаря нашему опыту в измельчении порошков и приверженности качеству мы помогаем отраслям достигать своих целей, используя превосходные материалы. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы получить индивидуальное решение.
