我國硅藻土的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

楊浩文 高文元

（大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料科學(xué)工程學(xué)院，遼寧大連 116034）

0 前言

硅藻土是一種硅質(zhì)巖石，是由單細(xì)胞硅藻類生物的硅酸鹽遺骸形成的。我國的硅藻土資源十分豐富，達(dá)20億噸以上，主要集中在東北華東地區(qū)，主要礦區(qū)集中在吉林、云南、浙江三省，其中優(yōu)質(zhì)土集中在吉林長白地區(qū)，其他地區(qū)多為低品位硅藻土，不能直接深加工。

目前在我國發(fā)現(xiàn)有硅藻土礦的省份達(dá)10多個，北方的硅藻土品位要高于南方。吉林省中長白地區(qū)的硅藻土SiO2含量達(dá)90%以上，但樺甸地區(qū)的硅藻土含量低于40%，大部分集中在70%～90%；云南的硅藻土主要集中在騰沖一帶，但硅藻土品質(zhì)較差，SiO2含量低于50%；浙江嵊州、山東臨朐、內(nèi)蒙赤峰、四川米易等地的硅藻土SiO2含量也都集中在70%～90%。

1 硅藻土的理化特性

硅藻土特殊的理化性能使其具有廣泛的應(yīng)用，清楚的了解硅藻土的理化性能對硅藻土的開發(fā)利用具有指導(dǎo)意義。

1.1 化學(xué)性質(zhì)

硅藻土的主要化學(xué)成分為非晶質(zhì)SiO2，在加熱到800℃～1000℃時(shí)，非晶型開始向晶型轉(zhuǎn)變。SiO2含量常占80%以上，最高可達(dá)94%，并含有少量的Al2O3，F(xiàn)e2O3，CaO，MgO等和有機(jī)雜質(zhì)。

硅藻土的礦物成份主要是蛋白石及其變種，其次是粘土礦物，包括水云母、高嶺石和礦物碎屑包括石英、長石、黑云母。此外還有含量從微量到30%以上的有機(jī)質(zhì)。

另外，硅藻土具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，只溶于氫氟酸，不溶于其他任何強(qiáng)酸；硅藻土表面覆蓋大量的羥基、氫鍵（見圖1），故呈弱酸性，能溶于強(qiáng)堿溶液中。羥基的存在使硅藻土具有一定的活性和吸附特性，可以通過對表面羥基的改性處理，使其具有特殊的結(jié)構(gòu)進(jìn)而產(chǎn)生特定的應(yīng)用性能。

1.2 物理性質(zhì)

硅藻土的密度為1.9～2.3g/cm3，堆密度0.34～0.65g/cm3，比表面積40～65m2/g，孔體積0.45～0.98m3，吸水率是自身體積的2～4倍，熔點(diǎn)1650℃～1750℃，在電子顯微鏡下可以觀察到特殊多孔的構(gòu)造，由于硅藻的形態(tài)不同，形成的硅藻土微觀形貌也不同，一般呈圓柱狀和圓篩狀（見圖2）。經(jīng)過一定的改性處理可以提高孔體積和比表面積，進(jìn)而決定吸附特性的強(qiáng)弱。

2 硅藻土的應(yīng)用

2.1 建筑中的應(yīng)用

我國在上世紀(jì)50年代利用硅藻土質(zhì)輕多孔的性能，開始生產(chǎn)硅藻土隔熱保溫磚，其中以硅藻土輕質(zhì)空心磚、硅藻土多孔燒結(jié)磚為主以及一些隔熱粉和隔熱板類產(chǎn)品。80年代利用硅藻土富含SiO2的特性，制備出硅酸鈣絕熱制品，后來相繼又出現(xiàn)了石棉硅酸鈣制品、無石棉硅酸鈣制品[1]。此外，硅藻土作為水泥混合材對水泥性能的優(yōu)化效果明顯，使水泥的軟化系數(shù)、抗壓強(qiáng)度都有所提高，而且減輕了水泥制品的返鹵現(xiàn)象[2]，出現(xiàn)了輕質(zhì)硅藻土水泥[3]、硅藻土玻璃纖維增強(qiáng)水泥板。近年來，硅藻土經(jīng)加熱處理后，又被應(yīng)用于建筑陶瓷和裝飾性材料上[4-5]，賦予制品強(qiáng)度高、比重輕、收縮率小、吸濕吸煙、凈化空氣等特性。

圖1 硅藻土表面化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.1 The surface chemical structure of diatomite

圖2 硅藻土的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2 The SEM images of diatomite

2.2 瀝青改性中的應(yīng)用

硅藻土由于富含SiO2，也可作為改性劑應(yīng)用于瀝青改性，先制備出性能優(yōu)良的瀝青改性劑，使瀝青路面抗高溫、低溫和抗老化，提高路面強(qiáng)度都有明顯作用[6]。制備優(yōu)良的瀝青改性劑首先要對硅藻土進(jìn)行篩選、加工，還要選擇合適的加工方法，使其SiO2含量得到進(jìn)一步提高，另外復(fù)合、偶聯(lián)其他功能材料改性效果更好[7]。

2.3 農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

硅藻土吸水率高、易吸附、化學(xué)穩(wěn)定性高、無毒，使其可制備農(nóng)用殺蟲劑，能吸收破壞害蟲體表的蠟層，最后失水死亡，硅藻土殺蟲劑對谷物的儲存和保護(hù)起到了明顯的效果[8]。我國硅藻土殺蟲劑的應(yīng)用技術(shù)和施藥設(shè)備還處于初級階段，急需開發(fā)出適合我國儲糧特點(diǎn)的應(yīng)用技術(shù)和高效率施藥設(shè)備以提高防蟲效果，降低勞動強(qiáng)度，為推動硅藻土殺蟲劑在我國大規(guī)模推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持[9]。

另外，硅藻土制成的各種除草劑[10]也對雜草的生長起到有效的抑制，并能夠延長藥效時(shí)間，助長農(nóng)作物的生長。

硅藻土用于復(fù)合肥料中，使化肥被均勻的吸附包裹起來，可防止肥料結(jié)塊，改良土壤，對土壤的保濕、土質(zhì)疏松具有積極作用，并能吸附農(nóng)作物生長所需元素，促使農(nóng)作物的生長[11]。

2.4 吸附作用的應(yīng)用

硅藻土的吸附作用包括物理吸附和化學(xué)吸附，物理吸附是由硅藻土的多孔性和較大的比表面積決定，而化學(xué)吸附是由于硅藻土表面和孔隙內(nèi)分布有大量的活性硅羥基團(tuán)，能與吸附質(zhì)通過化學(xué)鍵發(fā)生結(jié)合，形成離子交換或離子對的吸附[12]。

硅藻土吸附作用的主要體現(xiàn)是污水處理，硅藻土可以吸附廢水中的有機(jī)化合物、重金屬離子、有色廢水中的染料以及高氟工業(yè)廢水的氟和一些細(xì)菌[13-14]。但是未改性的硅藻土應(yīng)用于污水處理效果不佳：(1)用鋁、鐵等帶正電荷的離子對其進(jìn)行表面改性；(2)加入其他的絮凝劑復(fù)合制成改性硅藻土；(3)對其進(jìn)行酸化、灼燒[15]等處理方法對硅藻土進(jìn)行改性后，其吸附性能明顯改善且效果優(yōu)良。

2.5 催化性能的應(yīng)用

硅藻土輕質(zhì)多孔，比表面積大，質(zhì)軟、易吸附更改性使其具有很好的催化性能。硅藻土的催化性能主要是用溶膠-凝膠法、共沉淀法、機(jī)械力活化法附載納米TiO2使其具有光催化性能[16]。李煥等[17]經(jīng)冷凍干燥后于空氣中煅燒得到了Bi2O3/硅藻土復(fù)合光催化劑，都可用于光催化降解有機(jī)物和部分無機(jī)物。另外，硅藻土和Sn的氧化物可復(fù)合成固體酸，用于催化合成酯類物質(zhì)[18]。此外，用硅藻土負(fù)載鈷[19]、硫酸鹽[20]、Dawson型磷鎢酸[21]來催化合成其他物質(zhì)。

2.6 在其他行業(yè)中的應(yīng)用

硅藻土可作為造紙?zhí)盍希岣吡思垙埖挠∷①|(zhì)量和平滑度，在濾紙中可提高濾液澄清度，并使濾速加快。在卷煙紙中可調(diào)節(jié)燃燒率，無任何毒性副作用。

硅藻土在橡膠輪胎中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在制備白炭黑上，白炭黑作為橡膠的補(bǔ)強(qiáng)劑，增加了制品的彈性模量，可明顯減少橡膠的摩擦和提高橡膠的抗張力。

塑料中摻入硅藻土，對塑料的防老化、抗氧化、防紫外線效果顯著。同時(shí)提高制品的耐熱性、耐磨性。

硅藻土作為油漆、涂料的添加劑，能提高油漆、涂料的含固量、膜厚度，并使干燥速度加速，且具有消光作用。

除了上述應(yīng)用，硅藻土還被用作助濾劑而廣泛應(yīng)用于啤酒制造、油脂工業(yè)、醫(yī)藥、染料、微孔材料、人造革、飼料業(yè)，作為載體應(yīng)用于拋光劑、干燥劑等各行各業(yè)。

3 硅藻土應(yīng)用前景展望

隨著科技發(fā)展，人們對硅藻土的認(rèn)識逐漸深入，已經(jīng)從最初的宏觀了解到現(xiàn)在的微觀探索，對硅藻土的利用也變得精細(xì)化。但是我國對硅藻土的利用距國外還有較大差距，我國60%以上的硅藻土用于生產(chǎn)保溫材料，10%用于生產(chǎn)各種填料，另有更少的用于助濾劑，這種消費(fèi)構(gòu)成也是由于我國的硅藻土90%左右是低品位所造成的。

我國與美國的硅藻土儲量相差無幾，但是美國卻是世界上最大的助濾劑生產(chǎn)國和出口國，這就取決于硅藻土的品位，因此要使硅藻土的利用價(jià)值最大化，我們應(yīng)繼續(xù)對硅藻土進(jìn)行改性、提純的研究，然后進(jìn)一步開發(fā)硅藻土助濾劑。

目前日本已經(jīng)研制出具有自動調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度、消除異味、殺滅有害微生物的新型環(huán)保裝飾材料。這也給我國硅藻土的發(fā)展帶來啟發(fā)，我們也應(yīng)積極研發(fā)硅藻土新型環(huán)保材料，在硅藻土基制品中添加不同的催化劑，以達(dá)到不同的環(huán)保效應(yīng)。像環(huán)保型消音吸煙材料、具有吸油功能的瓷磚等。

另外，硅藻土催化性能的開發(fā)也具有非常廣闊的前景，通過負(fù)載鑲嵌等手段復(fù)合成具有一定催化降解或催化合成其他物質(zhì)功能的新材料是今后發(fā)展的主要趨勢。目前國內(nèi)從事此項(xiàng)工作的還很少，這就需要更多的科研人員投入進(jìn)來。

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