硅藻土的特點及其應(yīng)用進(jìn)展

金　洋，王春賀，黃幫蕊，宋　岐，金向群

(1.吉林大學(xué)藥學(xué)院，長春　130021；2.吉林大學(xué)第一醫(yī)院藥劑科，長春　130021)

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硅藻土的特點及其應(yīng)用進(jìn)展

金洋1，王春賀1，黃幫蕊1，宋岐2，金向群1

(1.吉林大學(xué)藥學(xué)院，長春130021；2.吉林大學(xué)第一醫(yī)院藥劑科，長春130021)

硅藻土被廣泛應(yīng)用于環(huán)保、建材、瀝青改性、復(fù)合材料、食品及醫(yī)藥等領(lǐng)域，成為一種與現(xiàn)代節(jié)能、食品安全、生物制藥、健康環(huán)保等相關(guān)的功能礦物材料與重要礦產(chǎn)資源。在查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，對硅藻土性質(zhì)特點及其應(yīng)用與進(jìn)展進(jìn)行了綜述，同時對硅藻土的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

硅藻土； 性質(zhì)特點； 應(yīng)用進(jìn)展

1　引　言

硅藻土為一種多孔性生物硅質(zhì)沉積巖，是在一定地質(zhì)條件下，由古代硅藻遺體堆積后經(jīng)成巖作用逐漸形成。近年來，由于硅藻土儲量豐富、物理和化學(xué)特性良好，已廣泛應(yīng)用于食品、藥品、橡膠、建筑、建材、化工、環(huán)保、涂料等領(lǐng)域。

2　硅藻土資源分布及性質(zhì)特點

2.1資源分布

全球硅藻土資源十分豐富，且分布范圍十分廣泛，主要分布在中國、美國、丹麥、法國等地。其中，美國硅藻土資源總量居世界第一，我國次之。我國吉林省儲量占全國54.8%，云南、福建、河北等位列其后(儲量分布見表1)。雖分布廣泛，但優(yōu)質(zhì)硅藻土僅集中于吉林省長白山地區(qū)，其他礦床大多含較多雜質(zhì)，不能直接深加工利用。

表1　硅藻土中國儲量

2.2結(jié)構(gòu)與特點

硅藻土為生物成因的硅質(zhì)沉積巖，其化學(xué)成分以SiO2為主，可用SiO2·nH2O表示[1]。硅藻土表面覆蓋有大量羥基，并且存在氫鍵，因而呈現(xiàn)出微弱的酸性，pH值約為6.0[2]。硅藻土熔點1650～1750 ℃，孔隙率高達(dá)80%甚至90%，能吸收其本身重量1.5～4倍的水，是聲、熱、電的不良導(dǎo)體。并且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不溶于任何強(qiáng)酸(氫氟酸除外)，但能溶于強(qiáng)堿溶液中[3]。硅藻土壁殼上大量、多級、有序排列的微孔使其具有較大的比表面積和孔體積，因而具有良好的吸附性能，能與金屬離子相互作用，用以評價其本身的應(yīng)用潛能以及環(huán)境中金屬離子的理化特性[4]。另外，可在改變硅藻土表面大量不同的活性羥基后與其他物質(zhì)成鍵或反應(yīng)，從而改變硅藻土的吸附特性，以達(dá)到吸附不同物質(zhì)的目的[5]。

3　硅藻土應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1作為助濾劑

生產(chǎn)助濾劑為硅藻土的主要應(yīng)用之一，且其品種最多、用途最廣、用量最大。助濾劑是以優(yōu)質(zhì)硅藻土為基本原料的粉狀產(chǎn)品，用于提高工業(yè)生產(chǎn)中過濾的速度及濾液的澄清度。因硅藻土具有除菌、除雜質(zhì)、除異味的功能，使產(chǎn)品性能穩(wěn)定、適應(yīng)性好，已在啤酒、制藥等行業(yè)之中得到了廣泛地應(yīng)用，是著名的啤酒助濾劑[6]。

對發(fā)酵后的啤酒使用硅藻土，不但可去除酵母菌[7]，還可以吸附降解絮凝質(zhì)、蛋白質(zhì)以及部分細(xì)菌等。使用經(jīng)選礦、水洗、加工處理后的云南先峰硅藻土處理白酒的基酒，可消除白酒中的異味、怪味以及某些缺陷，使其具有良好的口感和色澤[8]。同時，還可以用來去除葡萄糖漿在糖化過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，包括老化的淀粉、纖維素、低糖物質(zhì)、蛋白質(zhì)及糖化酶殘余物等。另外，在通過硅藻土過濾技術(shù)比較食醋除菌和加熱滅菌效果的過程中，使用硅藻土過濾后的除菌率達(dá)96.4%[9]，并且保證食醋的澄清度，保證久貯不返渾，避免了加熱產(chǎn)生的焦糊味影響口感。硅藻土也已成功應(yīng)用于雞骨草涼茶、夏枯草涼茶、菊花蜜植物飲料以及花旗參蜜涼茶清汁型飲料的過濾中[10]，可得到澄清、有光澤的濾液，且飲料經(jīng)長時間放置后未產(chǎn)生明顯沉淀。目前，助濾劑相關(guān)產(chǎn)品已系列化，可適用于不同流程及不同清澈要求的過濾[11]。

3.2作為功能性填料

功能性填料，即利用硅藻土無毒、無害、且在液體中沉降慢等特性將其填入其他材料或產(chǎn)品中，以提高產(chǎn)品強(qiáng)度、耐酸性、耐磨性及穩(wěn)定性等綜合性能的材料。目前，硅藻土在世界各國用作功能性填料的年耗量僅次于助濾劑，約占世界總產(chǎn)量的20%[12]。

以硅藻土作為填料的材料有：橡膠填料、塑料填料、造紙?zhí)盍?、涂料填料、擦片填料、精密鑄件涂料填料磨以及微孔陶瓷膜管填料等，例如，涂有改性硅藻土/殼聚糖-胍鹽微球涂料的抗菌紙同時含有針對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的兩種抗菌劑，非常適合用于醫(yī)療等領(lǐng)域[13]。此外，還可利用硅藻土的不同特點將其用作拋光劑、重金屬吸附劑[14]，制取白炭黑的原料[15]以及應(yīng)用于高精產(chǎn)品的生產(chǎn)中。如制作微孔陶瓷[16]、通過非原位法合成分子篩[17]、作為牙科全瓷修復(fù)材料[18]和培養(yǎng)基制取碳納米管[19]等。

硅藻土在我國作為功能性填料的使用比例尚小，尤其是在橡膠、涂料、顏料、農(nóng)藥等工業(yè)中仍處于起始階段，但具有十分可觀的發(fā)展前景。

3.3作為污水處理劑

水資源在人類生產(chǎn)生活中必不可少，但隨著工業(yè)生產(chǎn)的逐步發(fā)展，大量有毒、有害物質(zhì)的排放使水資源遭到嚴(yán)重污染。硅藻土在廢水處理中應(yīng)用廣泛。

目前，利用吸附法處理日常生活廢水及工業(yè)廢水效果較理想。硅藻土的吸附、脫色能力高，價格較活性炭低廉，有望代替活性炭成為理想的廢水吸附材料。但將硅藻土直接投入廢水中吸附去除污染物的處理效率較低，若將其進(jìn)行焙燒、復(fù)配或改性后再用于廢水處理，則可以大大提高其凈化效率。例如，硅藻土在水溶液中電離后表面會形成負(fù)電性，可以對帶正電的膠態(tài)污染物進(jìn)行有效吸附。但對于大部分帶負(fù)電的生活及工業(yè)廢水，需先對硅藻土進(jìn)行焙燒、酸洗等預(yù)處理[20]，加入陽離子混凝劑制成復(fù)合體結(jié)構(gòu)，當(dāng)帶正電荷的高分子物質(zhì)或高聚合離子吸附了帶負(fù)電荷的膠體粒子后，產(chǎn)生電中和作用，導(dǎo)致膠體電位降低，此時高分子與膠體之間存在共價鍵、氫鍵等，故膠體粒子可吸附更多聚合粒子，從而實現(xiàn)對正負(fù)電荷膠體顆粒的脫穩(wěn)，大大提高污水處理效果。此外，鄭水林[21-23]研究了改性硅藻精土污水處理劑，與其配套技術(shù)具有處理效果好、無二次污染、工程投資少、占地面積小、運(yùn)行成本低、實用性強(qiáng)等優(yōu)點。孫仕勇等[24]將有機(jī)質(zhì)硅藻土原礦經(jīng)酸性水洗提純后，在N2保護(hù)下高溫煅燒，形成比表面積更大，亞甲基藍(lán)、Pb2+、Co2+和Sr2+吸附能力更強(qiáng)的無定形活性炭/硅藻土的復(fù)合材料，且經(jīng)改性處理可進(jìn)一步提高吸附性能。肖少丹等[25]通過錳氧化物改性硅藻土上的硅羥基、錳羥基等活性基團(tuán)吸附，而后被錳氧化物氧化的過程去除苯胺，其中偶氮苯為主要中間產(chǎn)物。還有研究表明，經(jīng)酸處理及超聲波改性后，天然硅藻土對金屬離子的吸附能力得到激活和增強(qiáng)[26]。

3.4作為催化劑載體

硅藻土比表面積大、孔隙率高以及耐酸、耐熱、耐磨等特性使其成為理想的催化劑載體。主要應(yīng)用于氫化、脫氫、氧化、還原等化工反應(yīng)中，如氫化反應(yīng)中的鎳催化劑載體、硫酸生產(chǎn)中的釩催化劑載體及石油工業(yè)中的磷酸催化劑載體等。另外，還可以浸漬硅藻土為多相催化劑利用廢植物油催化合成生物柴油[27]；以硅藻土改性載體提高生物膜活性和穩(wěn)定性，加速移動床生物膜反應(yīng)器[28]；以負(fù)載鉑系金屬或稀土金屬的硅藻土處理汽車尾氣[29]等。為避免硅藻土催化性能受影響，要求原料比表面積不小于20 m2/g，同時除去對催化劑強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性影響大的雜質(zhì)以及引起催化中毒的成分。除此以外，硅藻土表面的酸性和羥基結(jié)構(gòu)對其本身的催化性能亦有影響[30]。在催化劑載體方面，硅藻土的應(yīng)用仍十分局限。隨著今后石油化工業(yè)的發(fā)展，其在水合、氣化等反應(yīng)中的使用將會逐漸增多[31]。

3.5作為建筑材料

在室內(nèi)裝修和建筑工程行業(yè)中，硅藻土具有明顯增強(qiáng)產(chǎn)品的強(qiáng)度和剛性，增大沉降體積達(dá)，并提高產(chǎn)品保溫、耐磨、耐熱、抗老化等性能的功能，因而主要用作保溫、隔熱、隔音建筑材料及地磚、陶瓷制品等。在造紙業(yè)和室內(nèi)壁紙產(chǎn)業(yè)中，硅藻土優(yōu)良的延伸性使產(chǎn)品具備較高的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度及沖擊強(qiáng)度，且質(zhì)輕軟、耐磨，因此減少了由于濕度變化引起的伸縮。另外，硅藻土在建筑工程中作水泥添加劑還可提高水泥的抗壓強(qiáng)度[32]。

3.6作為殺蟲劑和土壤改良劑

硅藻土主要用作殺蟲劑和土壤改良劑。在蟲害防治中，硅藻土顆粒通過表面的鋒利邊緣刺入蟲體粘附于體表，致使害蟲消化、呼吸等系統(tǒng)紊亂和表皮中蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞，造成脫水死亡。另一方面，硅藻土自身無毒且容易與糧食分離，因此可安全使用[3]。使用硅藻土殺蟲劑防護(hù)儲糧時，應(yīng)提前做好預(yù)防準(zhǔn)備，同時根據(jù)蟲種和實際害蟲發(fā)生情況采取措施以取得更好的防治效果[33]。

不定型活性硅藻土粒能夠儲存超過其本身體積1.5倍的水分，也是肥料的良好載體，因此成為優(yōu)良的土壤改良劑[31]。它可以根據(jù)土壤的濕度對水的吸收與釋放進(jìn)行有效地調(diào)節(jié)以達(dá)到透氣、保濕及干燥的作用，有益于植物根部的生長與水土的保持，目前已廣泛應(yīng)用于園林園藝、樹木移植、屋頂綠化及高爾夫草坪等。除常規(guī)綠化措施以外，硅藻土還可用于干旱、鹽堿地區(qū)的土壤綠化和西部地區(qū)的退耕還林、重建等方面，并且在未來會具有更加廣闊的前景[34]。

3.7在其他方面的應(yīng)用

除上述應(yīng)用外，硅藻土在卷煙紙中可以用來調(diào)節(jié)燃燒率而無任何毒性副作用；在濾紙中能夠提高濾液的澄清度從而提高濾速，縮短時間；在牙科中可以作全瓷修復(fù)材料以滿足自然牙的色澤與半透明度要求[35]；在工業(yè)中可以與聚苯乙烯、氯化石蠟復(fù)合后成為阻燃材料[36]；還有研究顯示，硅藻土可在醫(yī)藥領(lǐng)域作為載體參與藥物的體內(nèi)運(yùn)輸[37-40]。

4　展　望

硅藻土的應(yīng)用范圍在人們對礦物資源研究逐步深入的同時愈加廣泛，但大多數(shù)仍然局限于直接利用其多孔、吸附性強(qiáng)的特點來使用，并未完全做到改性處理以達(dá)到生產(chǎn)高附加值化工產(chǎn)品的水平。目前，采用現(xiàn)代信息技術(shù)優(yōu)化生產(chǎn)工藝以發(fā)展高性能助濾劑及現(xiàn)代生物醫(yī)藥制劑選擇性微過濾產(chǎn)品，發(fā)展可分解或降解污染物、環(huán)境友好的高性能污水處理材料，發(fā)展可調(diào)濕并高效、可持續(xù)降解室內(nèi)苯、甲醛及甲苯等有機(jī)污染物，以及發(fā)展現(xiàn)代生化、醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)中藥物載體的重要趨勢和方向，將顯著提升硅藻土的應(yīng)用范圍與應(yīng)用價值，在增加社會效益的同時提高經(jīng)濟(jì)效益，使硅藻土資源的開發(fā)利用擁有廣闊前景。

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Characteristic and Application Progress of Diatomite

JINYang1,WANGChun-he1,HUANGBang-rui1,SONGQi2,JINXiang-qun1

(1.School of Pharmaceutical Sciences,Jilin University,Changchun 130021,China;2.Dept.of Pharmacy,The First Hospital of Jilin University,Changchun 130021,China)

Diatomite is widely used in environmental protection, building materials, pitch modification, composite material, food, medicine and other fields, so it becomes a kind of functional mineral material and important mineral resource with modern energy conservation, food safety, biopharmacy, as well as health and environmental protection. On the basis of the consultation of a large number of relevant literature, the characteristic and application progress of diatomite are summarized, and the application prospect of diatomite is proposed in this paper.

diatomite;characteristic;application progress

吉林省科技發(fā)展計劃項目(20130204005GX)

金洋(1991-)，女，碩士研究生.主要從事藥物制劑方面的研究.

金向群，教授.

TD985

A

1001-1625(2016)03-0810-05