納米硅藻土作為催化劑載體的研究進(jìn)展

齊維維（遼寧博士科技有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110001）

納米硅藻土作為催化劑載體的研究進(jìn)展

齊維維（遼寧博士科技有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110001）

硅藻土是一種生物成因的沉積巖類礦產(chǎn)資源，具有多孔、質(zhì)輕、吸附能力強(qiáng)、比表面積大、化學(xué)穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于助濾劑、吸附劑、催化劑載體和功能填料。

硅藻土；提純；負(fù)載量；孔徑

東北地區(qū)是我國(guó)高品質(zhì)硅藻土的重要產(chǎn)地，主導(dǎo)產(chǎn)品為水泥混合材料、保溫材料和低檔助濾劑等低附加值產(chǎn)品及少量高附加值的功能填料、釩催化劑載體等，其中保溫材料占60%以上。

1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

硅藻土原礦中伴生有大量有機(jī)質(zhì)和黏土類礦物，主要包括Al2O3、Fe2O3、CaO和MgO等。這些雜質(zhì)固結(jié)在硅藻殼外壁或填充在孔隙中，只有經(jīng)過疏通孔道、提純成分才能進(jìn)一步加以利用。2006年中國(guó)礦業(yè)大學(xué)鄭水林教授研究了酸浸和焙燒提純硅藻土的工藝，發(fā)現(xiàn)72%濃度的硫酸處理方可使硅藻土中難以去除的Fe2O3含量顯著下降[1]。目前，我國(guó)硅藻土的提純加工使用強(qiáng)酸處理工藝，難以滿足環(huán)境保護(hù)的要求。在提純方面我國(guó)研究往往集中于如何使原土質(zhì)量達(dá)到助濾劑原土標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)硅藻土表面的極性特征以及分子耦聯(lián)表面的反應(yīng)性、功能活性分子或納米材料的負(fù)載等則研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。新型催化劑材料開發(fā)和納米尺度負(fù)載技術(shù)研究是進(jìn)一步拓寬硅藻土作為載體應(yīng)用的關(guān)鍵。隨著催化劑尺度的降低，需要高比表面積的硅藻土以提高催化劑的負(fù)載量。

2009年日本東北大學(xué)科學(xué)家Hirotaka Maeda報(bào)道了利用水熱處理硅藻土用于吸附和釋放水蒸汽[2]，在此基礎(chǔ)上，日本應(yīng)用硅藻土多孔吸濕和放濕的功能研制出輕質(zhì)裝飾涂料和調(diào)濕功能建材。冀志江等人對(duì)比分析了硅藻土、沸石、海泡石等礦物材料的調(diào)濕性能，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)改性的硅藻土只能在大濕度范圍內(nèi)才能發(fā)揮吸濕性能[3]。近年來，以硅藻土為原料制備多孔陶瓷的研究在國(guó)際上也得到大量關(guān)注，解決的主要問題是高溫?zé)Y(jié)增加強(qiáng)度與降低比表面積之間的矛盾。2010年瑞典學(xué)者F. Akhtar研究了燒結(jié)工藝對(duì)硅藻土基多孔材料結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)1000℃下燒結(jié)得到的多孔陶瓷具有較好的抗壓強(qiáng)度，更高的溫度下得到的陶瓷有孔隙被堵塞的可能。采用低溫成型工藝使硅藻土基多孔陶瓷保持較高的比表面積和足夠的強(qiáng)度將是未來研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。

2 硅藻土高附加值產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn)

硅藻土材料獨(dú)特的三維納米孔道，使其可以隨不同季節(jié)及環(huán)境濕度、溫度的變化，自動(dòng)吸收和釋放水分。以硅藻土為主要原料，通過添加相應(yīng)的功能活性成分還能制得性能優(yōu)良的建筑材料。當(dāng)環(huán)境濕度高于體表舒適濕度時(shí)，硅藻土材料可以吸收空氣中水蒸汽，從而降低人體周圍環(huán)境濕度；而當(dāng)空氣干燥時(shí)，材料可以自動(dòng)釋放內(nèi)部水分，最終達(dá)到調(diào)節(jié)人體周圍濕度平衡、調(diào)節(jié)呼吸循環(huán)以及明顯改善人居環(huán)境的應(yīng)用效果。

2.1 硅藻土的低成本分離提純與孔徑控制技術(shù)

提純是硅藻土由簡(jiǎn)單礦物向功能性材料轉(zhuǎn)變以提高附加值的關(guān)鍵一步。運(yùn)用多種材料分析測(cè)試手段研究硅藻土東北產(chǎn)區(qū)硅藻土原礦特性，通過干法風(fēng)選分級(jí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)低品位硅藻土的雜相分離。目前硅藻土提純主要采用酸浸或物理沉降法，盡管有一定的提純效率，但設(shè)備腐蝕和環(huán)境污染現(xiàn)象嚴(yán)重。后期方向是研究利用高活性等離子體預(yù)處理實(shí)現(xiàn)低溫去除表面有機(jī)物，同時(shí)提高雜質(zhì)成分活性，從而可以選擇環(huán)境友好的弱酸堿浸出工藝，最終確定面向不同產(chǎn)品的最佳工藝流程和參數(shù)。

2.2 通過增強(qiáng)硅藻土粉體孔隙提高比表面積的技術(shù)

高比表面積和孔隙率是硅藻土負(fù)載具有特定功能活性載體的關(guān)鍵。圓盤狀硅藻土的孔徑較大，孔徑分布不夠合理，而且燒結(jié)工藝只能通過除去圓盤狀硅藻土孔徑中的殘余有機(jī)物提高比表面積，效果非常有限。需要運(yùn)用材料設(shè)計(jì)的理論改善硅藻土的孔徑分布、提高比表面積。后期方向是通過控制帶有特定官能團(tuán)的表面活性劑在硅藻土表面的吸附與在納米孔內(nèi)的擴(kuò)散之間的平衡，實(shí)現(xiàn)在納米尺度內(nèi)對(duì)硅藻土孔壁的選擇性刻蝕，使硅藻土形成從納米孔到微米孔的多層級(jí)孔結(jié)構(gòu)。

2.3 改性硅藻土表面修飾及均勻負(fù)載納米催化劑技術(shù)

應(yīng)用選擇性刻蝕技術(shù)處理后圓盤狀硅藻土孔隙率和比表面積大大提高、孔結(jié)構(gòu)更為豐富，是納米催化劑材料的理想載體。但是由于煅燒過程中硅藻土表面極性的降低，難以均勻負(fù)載納米催化劑。后期重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)以硅藻土納米孔隙為微型反應(yīng)器在其表面原位合成貴金屬和氧化物催化劑材料，以解決硅藻土表面均勻負(fù)載難題。

3 硅藻土高附加值產(chǎn)品應(yīng)用發(fā)展方向

目前利用硅藻土的納米效應(yīng)制備室內(nèi)環(huán)保建材應(yīng)用較多的國(guó)家是日本，我國(guó)在此方面起步較晚，迄今基本處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。隨著人們對(duì)家居環(huán)境要求的日益提高，濕度是人們?cè)絹碓疥P(guān)心的人居環(huán)境指標(biāo)；而且伴隨室內(nèi)裝修以甲醛為代表的有害氣體已經(jīng)嚴(yán)重影響到人們的日常生活，成為廣泛關(guān)注的社會(huì)問題，因此，我國(guó)有關(guān)硅藻土的研究已經(jīng)成為一個(gè)材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。

[1]鄭水林，王利劍，舒鋒，陳俊濤.酸浸和焙燒對(duì)硅藻土性能的影響.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2006，11(11):1382-1386.

[2]H.Maeda,S.Kato,E.H.Ishida.Materials from diatoma?ceous earth for moisture control application.Int.J.Appl.Ceram.Te?chol.,2009,6:431-436.

[3]冀志江，王靜，候國(guó)艷，張連松.多孔結(jié)構(gòu)無(wú)機(jī)材料比表面積和孔徑分布對(duì)調(diào)濕性能的影響.巖石礦物學(xué)雜志，2009，28: 653.