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      技術進展
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      硅藻土礦物材料理化特性研究現狀
      來源:中國粉體技術網    更新時間:2015-03-24 11:13:20    瀏覽次數:
       
            (中國粉體技術網/班建偉)針對重金屬污染治理與修復,吸附材料必須能夠長期穩定地吸附與固定重金屬離子,同時還應具備吸附能力強、來源豐富、價格低廉等要求,而粘土礦物,尤其是硅藻土,很好地符合了這一要求,通過前期研究發現,硅藻土可以充分有效吸附重金屬離子,并可作為重金屬離子的穩定載體。
             硅藻土因其具有多孔性和巨大的比表面積,可以有效地吸附重金屬離子,是重金屬離子的穩定載體,且價廉物美。但硅藻土原礦雜質較多、理化結構存在缺陷,這些因素極大地限制了硅藻土吸附性能的發揮,為了提高硅藻土吸附性能,有必要對硅藻土實施改性。

      1 硅藻土理化特性研究現狀
             硅藻土源自古代低等單細胞植物硅藻,硅藻是一種多孔殼單細胞植物,大量生長于湖泊或海洋之中,有著規則排列的微孔結構細胞壁,而這細胞壁正是硅藻細胞與水體交換營養,進行新陳代謝的通道。由于地質運動,地球水面逐漸減少,硅藻大量死亡,呈堆積狀態的硅藻遺體經過初步成巖作用和長期的地質作用后形成了硅藻土礦床。礦床中蘊含著大量的生物硅質巖,這些硅質巖含有大量微孔,被人們發現后逐步開發并應用于防火材料、過濾材料和吸附材料。
      1.1 化學特性
             根據Blijanarov、Robertson 和楊宇翔等人的研究可知,硅藻土礦物成分為非晶質態的蛋白石,與天然的二氧化硅膠凝體蛋白石不同,是一種有機成因的特殊礦物。硅藻土的主要化學成分是無定性的SiO2,除了SiO2 以外還含有少量的Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2、Na2O 等。根據相關研究,對國內各地區硅藻土原礦的化學成分進行了對比分析,結果見表1。
             由表1 可知,國內硅藻土原礦中SiO2 含量一般在37. 60%~91.70% 之間,大部分在70% 以上,個別地區可以達到90% 以上。其中,吉林長白、吉林撫松、四川米易、浙江嵊州等地的SiO2含量較高,均在80% 以上,硅藻土品質較好,而吉林樺甸和云南騰沖SiO2含量較低,分別為37.67% 和49.00%,相對應的燒失量也偏高,雜質和水分含量多,硅藻土品質較差。Al2O3 的含量一般在1.80% ~ 24.00% 之間,Fe2O3 的含量一般在0.002% ~ 10.00% 之間,CaO 的含量一般在0.18% ~ 2.00% 之間,MgO 的含量一般在0.05%~2.30% 之間。
             硅藻土主要化學成分為SiO2,所以具有較高的化學穩定性和熱穩定性,不溶于除氫氟酸外的任何強酸,但在強堿環境下不能穩定存在。硅藻土所含的SiO2以非晶型為主,在強堿環境下,可溶性硅酸所占的比例可達50% ~ 80%。但當硅藻土被加熱到800~1000 ℃時,所含SiO2 就會由非晶型向晶型轉變,在堿性環境下,可溶性硅酸所占的比例就會下降,一般可減少到20% ~30%。
             從硅藻土的化學結構可知,硅藻土呈弱酸性,是一種固體酸,能夠與堿發生反應。硅藻土表面的多孔性與負電性使其呈現明顯表面吸附性。,硅藻土表面還存在有大量的硅羥基及氫鍵,這些硅羥基及氫鍵同時存在于硅藻土眾多的微孔之中,這些也是硅藻土具備吸附性能的重要原因。其結構見圖1。
             硅藻土的吸附性能與其表面及微孔所攜帶的羥基密切相關,吸附性能會隨著羥基數量的增多而提升,當環境條件發生改變時,特別是在高溫的情況下,這些羥基會發生轉化,而這些轉化對硅藻土的吸附性能會產生重要影響。硅藻土所攜帶的羥基還表現出一定的活性,這些具有一定活性的羥基使得硅藻土表面能夠結合或接枝一些官能團,進而導致硅藻土的吸附性能發生改變,這一特性使硅藻土通過實施化學改性提高吸附性能成為可能。
             部分羥基由于水解作用而失去氫離子,這使得硅藻土表面在液/ 固體系中呈現一定的負電性, pH 值對硅藻土表面負電性有較大影響,一般說來,在pH 值小于3 的情況下,表面羥基被嚴重質子化,硅藻土表面喪失負電性。同時有研究表明,接枝官能團可改變硅藻土表面等電點。
      1.2 物理特性
             天然硅藻土會呈現灰、白、黃、綠甚至黑色,原因在于天然硅藻土往往含有鐵氧化物或者有機質等雜質,而經過提純的硅藻土多為白色。硅藻土因成巖之前硅藻的形態各異而呈現出不同的微觀形貌,一般呈現圓篩狀、帶狀和圓柱狀(如圖2所示)。大部分硅藻土質地較輕、具有大量微孔、容易破碎,但其硅藻骨骼微粒的硬度很大。根據相關研究,對國產硅藻土的堆密度、比表面積、孔體積以及孔徑分布進行統計,結果見表2。

             通過表2 可以發現,國產硅藻土的堆密度通常為0.3~0.6 g/cm3, 另據有關研究,國產硅藻土的常規密度為0.4~0.9 g/cm3,密度很小,能浮于水面。孔半徑范圍為50~3000 nm,孔體積范圍為0.45 ~ 0.98 cm3/g,比表面積范圍為33 ~65 m2/g,焙燒、酸洗等改性處理有助于比表面積的提高和孔體積的增大。硅藻土的物理特性在一定程度上決定著其吸附性能,一般來說,吸附量隨著比表面積的增大而增大;吸附質在孔內的擴散速率隨著孔徑的增大而加快,而擴散速率的加快有利于吸附達到平衡。但在孔體積一定的情況下,比表面積與孔徑呈反比,孔徑越大,比表面積越低,進而導致平衡吸附量下降;當孔徑一定時,孔容的增大有利于吸附量的提高。

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