Current Status of Tobermorite Crystal Structure, Synthesis-Modification, and Adsorption Applications

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0833

Abstract

Abstract:

Tobermorite （TOB） is a layered calcium silicate hydrate with a high specific surface area. Its research and applications have expanded from traditional building materials to functional fields such as environmental remediation， owing to its unique crystal structure. This paper provides a comprehensive review of recent advances in TOB research and compares the differences between two common synthesis techniques （traditional hydrothermal and microwave-assisted hydrothermal methods）. It further introduces various modification strategies， including ion doping， thermal activation， acid washing， and loading， which are employed to enhance the adsorption performance of TOB. The underlying mechanisms and current applications of TOB for removing nitrogen/phosphorus， heavy metals， and organic dyes from wastewater are also systematically summarized. Although TOB has demonstrated high adsorption potential， its large-scale applications still face a series of challenges. This paper aims to provide a theoretical foundation and technical reference for the functional development and sustainable utilization of TOB. Prospects for future research on TOB are also proposed， encompassing the development of efficient synthesis routes， optimization of modification techniques， and exploration of synergistic applications in multiple fields.

Key words: tobermorite, crystal structure, hydrothermal synthesis, modification, adsorption, environmental remediation

CLC Number:

TQ170.1

QIN Juan, CAO Guoyi, SHI Jiayu, JI Qiang, LYU Jiarui, GU Xiaomin, SHI Jian. Current Status of Tobermorite Crystal Structure, Synthesis-Modification, and Adsorption Applications[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(2): 663-674.

Figures/Tables 6

Fig.1 Structural unit of TOB［19］

Fig.2 Crystal structures of three 11 ?-TOB polytypes［19］

Fig.3 Formation mechanism of TOB in traditional hydrothermal method［1］

Table 1 Adsorption applications of TOB and modified TOB in recent years

分类	吸附对象	材料	制备/改性	实验参数	最佳pH值	平衡时间/min	最大吸附容量/（mg·g^-1）	再生方式	循环效果	吸附机理	年份	参考文献
氮磷	$P O 4 3 -$	TOB	水热合成	初始浓度：20 mg/L；pH值：7.0~9.0；投加量：0~5.0 g/L；反应时间：480 min； $C O 3 2 -$ 浓度：0~20 mmol/L；温度：25 ℃	8.0	480	9.67	—	四次重复使用后，磷去除率40%	诱导结晶沉淀	2015	［60］
	$P O 4 3 -$	Al-TOB	水热合成	初始浓度：50 mg/L；pH值：6.0~14.0；投加量：1.0~2.0 g/L；反应时间：0~2 h；温度：25~45 ℃	9.0	60	48.00	—	—	化学沉淀、离子交换	2014	［31］
	$P O 4 3 -$	镧改性TOB	水热合成、负载改性	初始浓度：100~500 mg/L；投加量：1.0 g/L；pH值：3.0~8.0；反应时间：0~480 min	3.0	480	282.51	—	—	化学沉淀、静电吸引	2024	［2］
	$P O 4 3 -$	TOB	水热合成	温度：25 ℃；pH值=3.0~10.0；投加量：1.0~10.0 g/L；初始浓度：100~1 000 mg/L；反应时间：0~480 min	8.0	480	184.50	缓释肥	NaHCO₃溶液中24 h磷缓释率86%；纯水中220 d氮缓释率64%	静电吸引、化学沉淀、物理吸附	2022	［61］
	$N H 4 +$	TOB	水热合成		10.0	480	301.50	缓释肥	NaHCO₃溶液中24 h磷缓释率86%；纯水中220 d氮缓释率64%	静电吸引、化学沉淀、物理吸附	2022	［61］
	$N H 4 +$ 、 $P O 4 3 -$	TOB@C@MgO	水热合成、负载改性	投加量：0.5~3.5 g/L；pH值：2.5~9.5；温度：15~35 ℃；反应时间：5~600 min；N/P初始浓度：100/250 mg/L	8.5	N：15；P：240	N：38.40；P：112.70	缓释肥	—	化学沉淀、静电吸引、物理吸附	2022	［40］
重金属	Cr³⁺	TOB	水热合成	初始浓度：520~2 600 mg/L；投加量：2.0~10.0 g/L；pH值：1.0~5.0；反应时间：0~6 h	3.0	360	253.24	—	—	离子交换、配位作用	2018	［39］
	Hg²⁺	聚乙烯亚胺改性TOB	水热合成、负载改性	初始浓度：20~100 mg/L；投加量：0.5~5.0 g/L；pH值：2.0~6.0；温度：25~45 ℃；反应时间：2~480 min	5.0	480	43.89	KI洗脱	四次循环后吸附容量26.40 mg/g	化学螯合、离子交换	2024	［11］
	Cr⁶⁺	氨基改性TOB	水热合成、负载改性	pH值：2.0~6.0；初始浓度：100~1 000 mg/L；投加量：1.0 g/L；反应时间：120~360 min；温度：25 ℃；	2.0	120	498.39	纯水洗脱	四次循环后吸附容量6.00 mg/g	还原反应、静电吸引	2023	［62］
	Pb²⁺	淀粉基TOB水凝胶	水溶液聚合法、负载改性	初始浓度：0~400 mg/L；投加量：0.4~2.4 g/L；反应时间：0~24 h；温度：25~45 ℃；pH：2.0~6.0	5.0	720	900.25	HCl和NaOH洗脱	五次循环后去除率大于90%	表面络合反应、静电吸引、离子交换	2022	［63］
染料	亚甲基蓝	TOB	水热合成	初始浓度：250~1 000 mg/L；温度：15~35 ℃；反应时间：72 h；投加量：10.0 g/L	—	4 320	76.28	—	—	离子交换、物理吸附	2014	［36］
	碱性红2	热活化酸浸TOB	水热合成、热活化和酸洗改性	初始浓度：50 mg/L；投加量：0~4.5 g/L；pH值：2.0~12.0；温度：25~45 ℃；反应时间：90 min	6.0	90	22.57	500 ℃煅烧2 h	四次循环后吸附容量20.53 mg/g	物理吸附	2022	［55］
	结晶紫	热活化酸浸TOB	水热合成、热活化和酸洗改性		8.0	90	38.41	500 ℃煅烧2 h	四次循环后吸附容量25.42 mg/g	物理吸附	2022	［55］
其他	Cs⁺	TOB	水热合成	初始浓度：1.0~10.0 mol/L；温度：25~45 ℃；反应时间：0~120 min；投加量：5.0 g/L	—	15	67.78	—	—	离子交换	2016	［64］
其他	CO₂	TOB	水热合成	温度：25 ℃；进气浓度：4 000 mg/L；进气流量：500~1 000 mL/min；温度：25~65 ℃	—	—	51.48	—	八次循环后吸附容量42.25 mg/g	物理吸附、化学吸附	2024	［65］

Table 1 Adsorption applications of TOB and modified TOB in recent years

分类	吸附对象	材料	制备/改性	实验参数	最佳pH值	平衡时间/min	最大吸附容量/（mg·g^-1）	再生方式	循环效果	吸附机理	年份	参考文献
氮磷	$P O 4 3 -$	TOB	水热合成	初始浓度：20 mg/L；pH值：7.0~9.0；投加量：0~5.0 g/L；反应时间：480 min； $C O 3 2 -$ 浓度：0~20 mmol/L；温度：25 ℃	8.0	480	9.67	—	四次重复使用后，磷去除率40%	诱导结晶沉淀	2015	［60］
	$P O 4 3 -$	Al-TOB	水热合成	初始浓度：50 mg/L；pH值：6.0~14.0；投加量：1.0~2.0 g/L；反应时间：0~2 h；温度：25~45 ℃	9.0	60	48.00	—	—	化学沉淀、离子交换	2014	［31］
	$P O 4 3 -$	镧改性TOB	水热合成、负载改性	初始浓度：100~500 mg/L；投加量：1.0 g/L；pH值：3.0~8.0；反应时间：0~480 min	3.0	480	282.51	—	—	化学沉淀、静电吸引	2024	［2］
	$P O 4 3 -$	TOB	水热合成	温度：25 ℃；pH值=3.0~10.0；投加量：1.0~10.0 g/L；初始浓度：100~1 000 mg/L；反应时间：0~480 min	8.0	480	184.50	缓释肥	NaHCO₃溶液中24 h磷缓释率86%；纯水中220 d氮缓释率64%	静电吸引、化学沉淀、物理吸附	2022	［61］
	$N H 4 +$	TOB	水热合成		10.0	480	301.50	缓释肥	NaHCO₃溶液中24 h磷缓释率86%；纯水中220 d氮缓释率64%	静电吸引、化学沉淀、物理吸附	2022	［61］
	$N H 4 +$ 、 $P O 4 3 -$	TOB@C@MgO	水热合成、负载改性	投加量：0.5~3.5 g/L；pH值：2.5~9.5；温度：15~35 ℃；反应时间：5~600 min；N/P初始浓度：100/250 mg/L	8.5	N：15；P：240	N：38.40；P：112.70	缓释肥	—	化学沉淀、静电吸引、物理吸附	2022	［40］
重金属	Cr³⁺	TOB	水热合成	初始浓度：520~2 600 mg/L；投加量：2.0~10.0 g/L；pH值：1.0~5.0；反应时间：0~6 h	3.0	360	253.24	—	—	离子交换、配位作用	2018	［39］
	Hg²⁺	聚乙烯亚胺改性TOB	水热合成、负载改性	初始浓度：20~100 mg/L；投加量：0.5~5.0 g/L；pH值：2.0~6.0；温度：25~45 ℃；反应时间：2~480 min	5.0	480	43.89	KI洗脱	四次循环后吸附容量26.40 mg/g	化学螯合、离子交换	2024	［11］
	Cr⁶⁺	氨基改性TOB	水热合成、负载改性	pH值：2.0~6.0；初始浓度：100~1 000 mg/L；投加量：1.0 g/L；反应时间：120~360 min；温度：25 ℃；	2.0	120	498.39	纯水洗脱	四次循环后吸附容量6.00 mg/g	还原反应、静电吸引	2023	［62］
	Pb²⁺	淀粉基TOB水凝胶	水溶液聚合法、负载改性	初始浓度：0~400 mg/L；投加量：0.4~2.4 g/L；反应时间：0~24 h；温度：25~45 ℃；pH：2.0~6.0	5.0	720	900.25	HCl和NaOH洗脱	五次循环后去除率大于90%	表面络合反应、静电吸引、离子交换	2022	［63］
染料	亚甲基蓝	TOB	水热合成	初始浓度：250~1 000 mg/L；温度：15~35 ℃；反应时间：72 h；投加量：10.0 g/L	—	4 320	76.28	—	—	离子交换、物理吸附	2014	［36］
	碱性红2	热活化酸浸TOB	水热合成、热活化和酸洗改性	初始浓度：50 mg/L；投加量：0~4.5 g/L；pH值：2.0~12.0；温度：25~45 ℃；反应时间：90 min	6.0	90	22.57	500 ℃煅烧2 h	四次循环后吸附容量20.53 mg/g	物理吸附	2022	［55］
	结晶紫	热活化酸浸TOB	水热合成、热活化和酸洗改性		8.0	90	38.41	500 ℃煅烧2 h	四次循环后吸附容量25.42 mg/g	物理吸附	2022	［55］
其他	Cs⁺	TOB	水热合成	初始浓度：1.0~10.0 mol/L；温度：25~45 ℃；反应时间：0~120 min；投加量：5.0 g/L	—	15	67.78	—	—	离子交换	2016	［64］
其他	CO₂	TOB	水热合成	温度：25 ℃；进气浓度：4 000 mg/L；进气流量：500~1 000 mL/min；温度：25~65 ℃	—	—	51.48	—	八次循环后吸附容量42.25 mg/g	物理吸附、化学吸附	2024	［65］

Fig.4 Schematic illustration of nitrogen and phosphorus adsorption by TOB@C@MgO［40］

Fig.5 Mechanism of Pb2+ adsorption by LR-TOB/AA［62］

References 69

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