我国硅藻土的应用现状及展望

2013-03-18杨浩文高文元

中国陶瓷工业 2013年3期

杨浩文高文元

（大连工业大学纺织与材料科学工程学院，辽宁大连 116034）

0 前言

硅藻土是一种硅质岩石，是由单细胞硅藻类生物的硅酸盐遗骸形成的。我国的硅藻土资源十分丰富，达20亿吨以上，主要集中在东北华东地区，主要矿区集中在吉林、云南、浙江三省，其中优质土集中在吉林长白地区，其他地区多为低品位硅藻土，不能直接深加工。

目前在我国发现有硅藻土矿的省份达10多个，北方的硅藻土品位要高于南方。吉林省中长白地区的硅藻土SiO2含量达90%以上，但桦甸地区的硅藻土含量低于40%，大部分集中在70%～90%；云南的硅藻土主要集中在腾冲一带，但硅藻土品质较差，SiO2含量低于50%；浙江嵊州、山东临朐、内蒙赤峰、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广泛的应用，清楚的了解硅藻土的理化性能对硅藻土的开发利用具有指导意义。

1.1 化学性质

硅藻土的主要化学成分为非晶质SiO2，在加热到800℃～1000℃时，非晶型开始向晶型转变。SiO2含量常占80%以上，最高可达94%，并含有少量的Al2O3，Fe2O3，CaO，MgO等和有机杂质。

硅藻土的矿物成份主要是蛋白石及其变种，其次是粘土矿物，包括水云母、高岭石和矿物碎屑包括石英、长石、黑云母。此外还有含量从微量到30%以上的有机质。

另外，硅藻土具有较高的化学稳定性，只溶于氢氟酸，不溶于其他任何强酸；硅藻土表面覆盖大量的羟基、氢键（见图1），故呈弱酸性，能溶于强碱溶液中。羟基的存在使硅藻土具有一定的活性和吸附特性，可以通过对表面羟基的改性处理，使其具有特殊的结构进而产生特定的应用性能。

1.2 物理性质

硅藻土的密度为1.9～2.3g/cm3，堆密度0.34～0.65g/cm3，比表面积40～65m2/g，孔体积0.45～0.98m3，吸水率是自身体积的2～4倍，熔点1650℃～1750℃，在电子显微镜下可以观察到特殊多孔的构造，由于硅藻的形态不同，形成的硅藻土微观形貌也不同，一般呈圆柱状和圆筛状（见图2）。经过一定的改性处理可以提高孔体积和比表面积，进而决定吸附特性的强弱。

2 硅藻土的应用

2.1 建筑中的应用

我国在上世纪50年代利用硅藻土质轻多孔的性能，开始生产硅藻土隔热保温砖，其中以硅藻土轻质空心砖、硅藻土多孔烧结砖为主以及一些隔热粉和隔热板类产品。80年代利用硅藻土富含SiO2的特性，制备出硅酸钙绝热制品，后来相继又出现了石棉硅酸钙制品、无石棉硅酸钙制品[1]。此外，硅藻土作为水泥混合材对水泥性能的优化效果明显，使水泥的软化系数、抗压强度都有所提高，而且减轻了水泥制品的返卤现象[2]，出现了轻质硅藻土水泥[3]、硅藻土玻璃纤维增强水泥板。近年来，硅藻土经加热处理后，又被应用于建筑陶瓷和装饰性材料上[4-5]，赋予制品强度高、比重轻、收缩率小、吸湿吸烟、净化空气等特性。

图1 硅藻土表面化学结构Fig.1 The surface chemical structure of diatomite

图2 硅藻土的扫描电镜照片Fig.2 The SEM images of diatomite

2.2 沥青改性中的应用

硅藻土由于富含SiO2，也可作为改性剂应用于沥青改性，先制备出性能优良的沥青改性剂，使沥青路面抗高温、低温和抗老化，提高路面强度都有明显作用[6]。制备优良的沥青改性剂首先要对硅藻土进行筛选、加工，还要选择合适的加工方法，使其SiO2含量得到进一步提高，另外复合、偶联其他功能材料改性效果更好[7]。

2.3 农业中的应用

硅藻土吸水率高、易吸附、化学稳定性高、无毒，使其可制备农用杀虫剂，能吸收破坏害虫体表的蜡层，最后失水死亡，硅藻土杀虫剂对谷物的储存和保护起到了明显的效果[8]。我国硅藻土杀虫剂的应用技术和施药设备还处于初级阶段，急需开发出适合我国储粮特点的应用技术和高效率施药设备以提高防虫效果，降低劳动强度，为推动硅藻土杀虫剂在我国大规模推广应用提供技术支持[9]。

另外，硅藻土制成的各种除草剂[10]也对杂草的生长起到有效的抑制，并能够延长药效时间，助长农作物的生长。

硅藻土用于复合肥料中，使化肥被均匀的吸附包裹起来，可防止肥料结块，改良土壤，对土壤的保湿、土质疏松具有积极作用，并能吸附农作物生长所需元素，促使农作物的生长[11]。

2.4 吸附作用的应用

硅藻土的吸附作用包括物理吸附和化学吸附，物理吸附是由硅藻土的多孔性和较大的比表面积决定，而化学吸附是由于硅藻土表面和孔隙内分布有大量的活性硅羟基团，能与吸附质通过化学键发生结合，形成离子交换或离子对的吸附[12]。

硅藻土吸附作用的主要体现是污水处理，硅藻土可以吸附废水中的有机化合物、重金属离子、有色废水中的染料以及高氟工业废水的氟和一些细菌[13-14]。但是未改性的硅藻土应用于污水处理效果不佳：(1)用铝、铁等带正电荷的离子对其进行表面改性；(2)加入其他的絮凝剂复合制成改性硅藻土；(3)对其进行酸化、灼烧[15]等处理方法对硅藻土进行改性后，其吸附性能明显改善且效果优良。

2.5 催化性能的应用

硅藻土轻质多孔，比表面积大，质软、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胶-凝胶法、共沉淀法、机械力活化法附载纳米TiO2使其具有光催化性能[16]。李焕等[17]经冷冻干燥后于空气中煅烧得到了Bi2O3/硅藻土复合光催化剂，都可用于光催化降解有机物和部分无机物。另外，硅藻土和Sn的氧化物可复合成固体酸，用于催化合成酯类物质[18]。此外，用硅藻土负载钴[19]、硫酸盐[20]、Dawson型磷钨酸[21]来催化合成其他物质。