吉林白山地区低品级硅藻土利用现状及开发利用探讨

李志威，代 宗，王 宏

(1.中国建筑材料工业地质勘查中心，北京 100035；2.咸阳非金属矿研究设计院有限公司，陕西 咸阳 712021)

硅藻土以其独特的微孔结构及纳米特性被广泛应用于轻工、化工、建材、石油等许多领域[1]。目前对于低品级硅藻土的开发利用较少，造成了低品级硅藻土资源的严重浪费，且对环境造成了巨大压力。因此对于低品级硅藻土尤其是II级、III级土的开发和利用尤为紧迫。本文重点调查了吉林白山地区目前正在开采的硅藻土主要矿山，针对吉林白山地区低品级硅藻资源现状、利用现状，以及低品级硅藻土开发利用的问题，介绍了低品级硅藻土直接利用，探讨了提纯加工方法，指出了低品级硅藻土的开发利用方向。

1 硅藻土资源现状

我国已探明硅藻土资源储量5.13亿t，其中吉林省探明资源储量最多，约3.56亿t，吉林白山地区是目前我国发现的最大优质硅藻土资源蕴藏地。虽然云南冲腾和内蒙古也有一些优质硅藻土资源，但其资源储量小，并且内蒙古硅藻土矿属于“鸡窝矿”不能规模开采或者根本不具备开采条件。其他地区如云南旬邑、临沧、浙江嵊州硅藻土杂质含量较高，加工处理除杂较难、成本高，同时环境污染严重。

吉林省白山地区硅藻土资源无论是品质还是资源储量远胜其他地区，主要分布在临江—长白地区，占全省资源储量的84.27%。其中I级硅藻土约占资源总量的20%～25%，II级、III级硅藻土占总量的65%～70%。

2 低品级硅藻土利用现状

笔者曾对硅藻土的产业状况、利用状况及消费市场进行了较为深入的总结论述[2]。吉林白山硅藻土以品质好而闻名，但硅藻土矿层呈层状产出，矿层在垂向上具有明显韵律，一般从下至上为：硅藻粘土→粘土质硅藻土→含粘土质硅藻土→硅藻土→含粘土质硅藻土→粘土质硅藻土→硅藻粘土，其间为渐变关系，I级硅藻土一般产在矿层中部。目前开采矿山一般沿着I级土矿层(中心部位)采用平硐开采方式掘进，上下层的II级、III级不被开采或部分开采，资源回采率低，浪费严重。被采空的上层资源容易造成矿层坍塌，再回来开采II级、III级土，开采难度将会更大，开采成本将会更高，资源开发综合利用率很低。因此，目前的开采方式造成资源浪费的同时也破坏了原有资源的分布及开采条件，既使后期可开采，开采难度和成本将急剧上升。

目前I级硅藻土主要用于助滤剂市场。低品级硅藻土由于品质较差，不能直接应用于助滤剂，虽然经提纯后可以达到I级土的质量要求，但由于成本较高，应用较少。目前大部分企业只开采I级硅藻土，获取自身短期的经济效益，低品级硅藻土不被开采或采出后堆放(开采过程中无法避开矿段)，造成硅藻土资源的极大浪费。稀缺优质资源不仅没有得到合理的开发利用，同时原土堆放造成植被破坏，水土流失，周边生态环境受到一定影响。

3 低品级硅藻土的开发利用探讨

硅藻土的开发利用是秉持矿产资源“吃干榨净”理念的应有之意。对低品级硅藻土进行开发利用，一方面是绿色矿山建设的题中之意；另一方面可以提高资源综合利用率，延长矿山服务年限。对低品级硅藻土的开发利用分为直接利用和提纯加工利用两种方案。

3.1 直接利用领域

直接利用是指将开采的低品级硅藻土不经过加工直接进行应用，其主要可以应用于造纸填料、农业应用、沥青改性剂、板材、砌块等领域。

(1)造纸填料。

卜扬[3]研究了填加Ⅰ级硅藻土和Ⅱ级硅藻土对成纸的撕裂指数的影响趋势基本相同，但添加二级硅藻土过多对于纸张白度有不利影响。李金宝等[4]研究表明：硅藻土可作为白度要求不高的轻质印刷纸的填料使用，是一种加填效果较好的填料。

(2)农业应用。

朱健等[5]发现硅藻土对重金属离子的吸附主要为孔道内部复杂的综合吸附，重金属离子能够被有效固定。况且硅藻土源自土壤，不会为土壤带来二次污染，同时硅藻土还具有一定的持水性，有助于土壤肥力的恢复。Piri等[6]研究发现硅藻土可使土壤中的重金属向更稳定的形态重新分布，其成本低廉，在改良土壤中具有显著的潜力。

Prakash等[7]发现：硅藻土在酸性和碱性土壤中均可提高土壤中植物可用硅的含量，在最佳条件下SiO2含量在53.1%和63.7%的硅藻土释放的植物可用硅含量较高。Nascimento等[8]研究表明，施加硅藻土增加了甜瓜果实的数量和重量。可能是由于硅藻土的添加提高了甜瓜植株对硅和养分(N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn)的吸收。低品级硅藻土在杀虫剂、农药缓释等农业应用方面有独特的应用。

(3)沥青改性剂。

李旭东[9]、Tan等[10]发现硅藻土中SiO2含量和硅藻含量对改性沥青影响较大。沥青经硅藻土改性后，其马歇尔稳定度提高、高温稳定性提高、抗低温性提高，各项性能优于纯沥青。邓秋红[11]采用Ⅱ级硅藻土对沥青进行改性，深入研究了II级土对沥青各项指标的影响，获得最佳的配比。

(4)板材、砌块应用。

目前低品级的硅藻土在板材、砌块等领域也有一些应用探索。白涛等[12]以III级土、消石灰和水为主要原料，通过模压成型、水热固化等工艺的有机结合，得到一种具有适宜力学强度的轻质建筑板材。Gencel等[13]进行了硅藻土—聚丙烯纤维轻质石膏复合材料的研究，硅藻土的加入降低了复合材料的整体质量，提高了复合材料的隔热性能。吉冬萍[14]研究发现II级土、III级土制备的硅藻土砖的抗折强度和吸水率较好，且采用电气石作为功能性添加料可以使硅藻土砖具有释放负氧离子的功能。Man等[15]以III级土为原料，加入过硼酸钠和白云石为助熔剂，烧结制备多孔砖。其容重低、抗折强度高，各项参数均高于国家多孔砖标准。

以上低品级硅藻土直接应用领域的研究表明：低品级硅藻土在填料方面直接应用有一定的前景，一方面需要进一步对低品级硅藻土在该领域的应用技术攻关；另一方面还需要进一步研究，拓宽应用领域，扩大应用市场。

3.2 低品级硅藻土加工利用

低品级硅藻土SiO2含量低，硅藻壳体的多孔性很差，且硅藻壳上存在粘土矿物和有机物等杂质，它们与硅藻壳体相互夹杂、包裹和固结，堵塞了硅藻壳体的天然微孔肢体，使硅藻土最出色的天然多孔性能受到严重影响。因此某些领域需要对低品级硅藻土采用各种手段和措施将这些堵塞微孔的粘土矿物杂质和一些有机杂质去除，然后再进行应用[16]。

3.2.1 物理提纯法

(1)擦洗法。

擦洗法是在硅藻土颗粒磨细后利用水流及矿物颗粒之间的剪切力，使粘结在硅藻壳上的黏土矿物和碎屑矿物脱附解离。通过不断擦洗，大量杂质矿物得以分离，使其纯度不断提高，且擦洗次数越多，效果越好。但单纯使用擦洗法提纯难以得到高品质的硅藻精土。

(2)浮选法。

由于低品级硅藻土含有大量的有机质和杂质，采用化学法直接提纯成本高。采用浮选法先提纯除杂得到较高品质的硅藻土精土是可行的。高莹等[17]对吉林临江Ⅲ级硅藻土进行浮选提纯试验研究，通过对各项浮选条件进行优化，将SiO2含量由74.58%提高至79.38%，回收率为42.74%。由此可见浮选法可以一定程度提纯硅藻土，但仍然难以得到高品质硅藻精土。

(3)离心分选法。

由于常规擦洗法是在重力场进行的，效率较低。而在离心力场中采用离心分选，离心力可达到重力的数十倍甚至上千倍，从而可以加大颗粒的分层速度，提高设备的处理能力。Yang等[18]对临江II级土采用离心分选，将原土SiO2含量由80.17%提纯至87.41%，且精土中的孔隙较原土有了明显改善。离心分选法虽然可以去除包裹在硅藻壳外壁的杂质，但是对于夹杂、固结在硅藻壳体内部孔洞的杂质去除效果不佳，若采取更大的擦洗力度还会破坏硅藻壳体结构，使硅藻壳破碎，甚至失去应用价值。

3.2.2 化学提纯法

(1)焙烧法。

焙烧工艺是一种最简单、最有效的提纯工艺，也是制备用作助滤剂硅藻土的纯化过程的关键工艺，且成本低，操作简便。焙烧工艺主要用于烧失量较高的硅藻土提纯处理，由于原土中存在的有机质对铁、铝等杂质的浸出起到阻碍作用，将原土煅烧后，有机质以及吸附在硅藻土中的自然态水挥发，可有效的改善酸浸条件，因此，此法多用于和酸浸法或碱浸法联合使用[19]。郑水林等[20]在不同温度下对硅藻土进行焙烧试验，发现圆筛形硅藻土在450℃下焙烧2h后原有形貌保持不变，比表面积和孔隙率达到最大值，当焙烧温度升至900℃后圆筛形硅藻土边缘部分开始出现融化，当焙烧温度继续升高到1 150℃后，硅藻土的微孔结构基本消失。因此在硅藻土焙烧处理中选择合适的焙烧温度至关重要。另外，焙烧法不能去除黏土类杂质，必须和其他方法配合使用方能达到提纯目的。

(2) 酸浸法。

硅藻土中的有效成分SiO2不溶于除HF以外的其他酸，而其他杂质矿物能溶于酸。利用该特性能够有效去除氧化物、碳酸盐、硫酸盐等矿物杂质。San等[21]采用盐酸处理硅藻土，原土经酸浸1h后，比表面积由189m2/g提高到222m2/g，但是要获得SiO2含量为95%以上的硅藻土则需要酸浸12h以上。经酸浸处理后，硅藻土品位提高的同时，孔容量、比表面积都有明显增大。但采用酸浸处理方法，存在酸处理耗时长、酸对设备腐蚀严重、废液必须经过严格的处理后才能进行排放等缺点。

3.2.3 联合提纯法

单一的提纯方法，难以经济高效的对硅藻土进行提纯加工，而联合法可以集合各方法的优点，是硅藻土提纯常用的方法。刘杨等[22]采用物理擦洗—离心和硫酸酸浸联合工艺对化德硅藻土进行提纯加工，在最佳条件下硅藻土白度从64.5提高到 82.4，SiO2含量从78.57%提高到92.83%。孙林[23]首次将超声预处理和水热法与传统的酸浸焙烧工艺相结合，研究了该方法对长白硅藻土进行提纯的最佳工艺条件。结果表明：纯化后低品级硅藻土SiO2含量可由76.68%提升至94.95%，高品位硅藻土SiO2含量由83.03%提升至97.12%，回收率可达73.12%，同时比表面积也大幅度提升。

综上所述，采用单一的方法，对低品级硅藻土提纯，不是存在精土品质低，就是存在成本高的问题。必须对原矿性质进行深入研究，开发符合原矿性质的工艺，联合不同方法，尽可能高效的开发低品级硅藻土。

4 结论和建议

(1)吉林白山低品级硅藻土资源丰富，但目前对低品级硅藻土资源利用不够，不但造成硅藻土资源的浪费，而且也给环境带来了较大影响。

(2)低品级硅藻土资源可应用于板材添加、农业应用以及沥青改性等领域，但相对于大量的低品级硅藻土资源储量来说，利用范围较窄、利用量较小，不能解决低品级硅藻土资源开发利用的根本问题。

(3)低品级硅藻土的提纯加工是低品级硅藻土身价增值和应用领域拓宽的重要途径，相关企业应加大与高校和科研院所的合作，加强对提纯方法和提纯工艺的研究，降低提纯加工成本，提高产品质量，不断拓宽应用领域。