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硅藻土矿物材料理化特性研究现状
来源:中国乐动娱乐体育平台网页版技术网    更新时间:2015-03-24 11:13:20    浏览次数:
 
      (中国乐动娱乐体育平台网页版技术网/班建伟)针对重金属污染治理与修复,吸附材料必须能够长期稳定地吸附与固定重金属离子,同时还应具备吸附能力强、来源丰富、价格低廉等要求,而粘土矿物,尤其是硅藻土,很好地符合了这一要求,通过前期研究发现,硅藻土可以充分有效吸附重金属离子,并可作为重金属离子的稳定载体。
       硅藻土因其具有多孔性和巨大的比表面积,可以有效地吸附重金属离子,是重金属离子的稳定载体,且价廉物美。但硅藻土原矿杂质较多、理化结构存在缺陷,这些因素极大地限制了硅藻土吸附性能的发挥,为了提高硅藻土吸附性能,有必要对硅藻土实施改性。

1 硅藻土理化特性研究现状
       硅藻土源自古代低等单细胞植物硅藻,硅藻是一种多孔壳单细胞植物,大量生长于湖泊或海洋之中,有着规则排列的微孔结构细胞壁,而这细胞壁正是硅藻细胞与水体交换营养,进行新陈代谢的通道。由于地质运动,地球水面逐渐减少,硅藻大量死亡,呈堆积状态的硅藻遗体经过初步成岩作用和长期的地质作用后形成了硅藻土矿床。矿床中蕴含着大量的生物硅质岩,这些硅质岩含有大量微孔,被人们发现后逐步开发并应用于防火材料、过滤材料和吸附材料。
1.1 化学特性
       根据Blijanarov、Robertson 和杨宇翔等人的研究可知,硅藻土矿物成分为非晶质态的蛋白石,与天然的二氧化硅胶凝体蛋白石不同,是一种有机成因的特殊矿物。硅藻土的主要化学成分是无定性的SiO2,除了SiO2 以外还含有少量的Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2、Na2O 等。根据相关研究,对国内各地区硅藻土原矿的化学成分进行了对比分析,结果见表1。
       由表1 可知,国内硅藻土原矿中SiO2 含量一般在37. 60%~91.70% 之间,大部分在70% 以上,个别地区可以达到90% 以上。其中,吉林长白、吉林抚松、四川米易、浙江嵊州等地的SiO2含量较高,均在80% 以上,硅藻土品质较好,而吉林桦甸和云南腾冲SiO2含量较低,分别为37.67% 和49.00%,相对应的烧失量也偏高,杂质和水分含量多,硅藻土品质较差。Al2O3 的含量一般在1.80% ~ 24.00% 之间,Fe2O3 的含量一般在0.002% ~ 10.00% 之间,CaO 的含量一般在0.18% ~ 2.00% 之间,MgO 的含量一般在0.05%~2.30% 之间。
       硅藻土主要化学成分为SiO2,所以具有较高的化学稳定性和热稳定性,不溶于除氢氟酸外的任何强酸,但在强碱环境下不能稳定存在。硅藻土所含的SiO2以非晶型为主,在强碱环境下,可溶性硅酸所占的比例可达50% ~ 80%。但当硅藻土被加热到800~1000 ℃时,所含SiO2 就会由非晶型向晶型转变,在碱性环境下,可溶性硅酸所占的比例就会下降,一般可减少到20% ~30%。
       从硅藻土的化学结构可知,硅藻土呈弱酸性,是一种固体酸,能够与碱发生反应。硅藻土表面的多孔性与负电性使其呈现明显表面吸附性。,硅藻土表面还存在有大量的硅羟基及氢键,这些硅羟基及氢键同时存在于硅藻土众多的微孔之中,这些也是硅藻土具备吸附性能的重要原因。其结构见图1。
       硅藻土的吸附性能与其表面及微孔所携带的羟基密切相关,吸附性能会随着羟基数量的增多而提升,当环境条件发生改变时,特别是在高温的情况下,这些羟基会发生转化,而这些转化对硅藻土的吸附性能会产生重要影响。硅藻土所携带的羟基还表现出一定的活性,这些具有一定活性的羟基使得硅藻土表面能够结合或接枝一些官能团,进而导致硅藻土的吸附性能发生改变,这一特性使硅藻土通过实施化学改性提高吸附性能成为可能。
       部分羟基由于水解作用而失去氢离子,这使得硅藻土表面在液/ 固体系中呈现一定的负电性, pH 值对硅藻土表面负电性有较大影响,一般说来,在pH 值小于3 的情况下,表面羟基被严重质子化,硅藻土表面丧失负电性。同时有研究表明,接枝官能团可改变硅藻土表面等电点。
1.2 物理特性
       天然硅藻土会呈现灰、白、黄、绿甚至黑色,原因在于天然硅藻土往往含有铁氧化物或者有机质等杂质,而经过提纯的硅藻土多为白色。硅藻土因成岩之前硅藻的形态各异而呈现出不同的微观形貌,一般呈现圆筛状、带状和圆柱状(如图2所示)。大部分硅藻土质地较轻、具有大量微孔、容易破碎,但其硅藻骨骼微粒的硬度很大。根据相关研究,对国产硅藻土的堆密度、比表面积、孔体积以及孔径分布进行统计,结果见表2。

       通过表2 可以发现,国产硅藻土的堆密度通常为0.3~0.6 g/cm3, 另据有关研究,国产硅藻土的常规密度为0.4~0.9 g/cm3,密度很小,能浮于水面。孔半径范围为50~3000 nm,孔体积范围为0.45 ~ 0.98 cm3/g,比表面积范围为33 ~65 m2/g,焙烧、酸洗等改性处理有助于比表面积的提高和孔体积的增大。硅藻土的物理特性在一定程度上决定着其吸附性能,一般来说,吸附量随着比表面积的增大而增大;吸附质在孔内的扩散速率随着孔径的增大而加快,而扩散速率的加快有利于吸附达到平衡。但在孔体积一定的情况下,比表面积与孔径呈反比,孔径越大,比表面积越低,进而导致平衡吸附量下降;当孔径一定时,孔容的增大有利于吸附量的提高。

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