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粉体百科•技术篇:硅藻土改性方法介绍

硅藻土是一种硅质矿物。主要化学成分为非晶体SiO2,SiO2含量一般在80%以上。含有少量杂质,主要包括Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、P2O5和有机质。硅藻土的外观呈白色、灰白色、浅灰色、浅黄色和深灰色。硅藻土是由单细胞水生植物硅藻的遗骸沉积而形成,硅藻的独特性能在于能吸收水中的游离硅形成骨骼,硅藻死亡后沉积,在一定的地质条件下形成硅藻土矿床。硅藻土具有一些独特的性能,例如:多孔性、较低的密度、较大的比表面积、相对的不可压缩性及化学稳定性。

图1 不同品质的硅藻土

硅藻土主要分布在中国、美国、丹麦、法国、罗马尼亚等国。我国硅藻土储量3.2亿吨,远景储量20多亿吨,主要集中在华东及东北地区。我国硅藻土的孔体积一般为0.45~0.98cm3/g。由于硅藻土具有大量的、有序排列的微孔,从而使硅藻土具有很大的比表面积,我国硅藻原土的比表面积为19~65m3/g。硅藻土的这种特殊的空隙结构使得其具有很强的吸附性,而且化学稳定性高,除溶于氢氟酸外,不溶于任何强酸,易溶于碱。硅藻土还具有容重小、熔点高、隔热、吸声等特点。

硅藻土的表面特性

硅藻土的表面基团与吸附性能

硅藻土表面含有大量不同种类的羟基,羟基越多,则硅藻土的吸附性能越好。而硅藻土经过一些处理之后羟基会发生转化,从而改变硅藻土的吸附性能。这些羟基具有一定的活性,所以也可以通过与其它物质发生反应或成键来改变硅藻土的吸附性能。

硅藻土的表面电荷

硅藻土颗粒表现出一定的负电性,在大多数pH值范围内硅藻土表面都带负电,但在酸性条件下,硅藻土表面的羟基被质子化,所以带正电。在硅藻土表面接枝官能团可以使硅藻土的等电位点发生移动。

硅藻土的表面结构与吸附特性

国产硅藻土的比表面积为19~65m3/g,孔半径为50nm~800nm,孔体积为0.45~0.98cm3/g,酸洗或焙烧等预处理,可提高其比表面积,增大孔体积。硅藻土的吸附特性与它的物理结构和化学结构密切相关,通常比表面积越大吸附量越大;孔径越大,吸附质在孔径的扩散速率越大,则越有利于达到吸附平衡。但在一定的孔体积下,孔径一定时,孔容越大,吸附量就越大。

硅藻土的改性方法

硅藻土原矿一般含有较多的杂质,而且还存在较为明显的理化构造缺陷,这些都极大地限制了硅藻土的吸附能力。因此,需要对硅藻土进行改性以提高其吸附能力。下面介绍一些目前国内外研究人员常用的改性方法。

常规改性

(1)擦洗法

擦洗法是在不破坏硅藻壳的前提下对硅藻土进行研磨,将原料颗粒打细,从而剥离硅藻壳上的黏土等矿物质,提高SiO2的含量,改善硅藻土颗粒表面性质,进而提高其吸附能力。

(2)焙烧法

高温煅烧可以有效提高硅藻土中SiO2的含量,增大孔径,增加表面酸强度。研究表明,在焙烧温度低于450℃时,提高焙烧温度,有利于增加硅藻土的比表面积,450℃时比表面积达到最大值,之后再升高焙烧温度,比表面积开始不断下降。当温度超过900℃时,焙烧会破坏硅藻骨架结构。

(3)微波法

将硅藻土进行适当的微波处理,可以有效去除硅藻土中部分杂质和水分,增加硅藻土的孔隙,从而增大其表面积,提高吸附效果。研究表明,随着微波照射时间的延长,硅藻土的吸附量增加,但照射时间达到15min后,其吸附量随着时间的延长不断下降。

(4)酸改性

酸改性主要是通过强酸的蚀刻作用去除硅藻土颗粒表面的杂质,提高其纯度,增大其孔容与比表面积,明显改善了硅藻土的孔隙结构,提高了其表面吸附性能。

无机改性

硅藻土的无机改性主要是通过加入无机大分子改性剂,使其均匀分散于硅藻土孔道间,形成柱层状合缔结构,疏通或拓展硅藻土孔道,并在缔合颗粒之间形成较大的空间,以容纳更多的吸附质,最终达到提高硅藻土吸附能力的目的。

有机改性

硅藻土有机改性主要是指在硅藻土表面接枝有机功能性大分子,对其表面实施改性处理,以达到提高硅藻土吸附能力的目的。常用的改性剂有溴化十六烷基三甲铵、聚乙烯亚胺。

在实际应用中为了让硅藻土达到最佳使用状态,往往使用不止一种改性方法,应将各类改性方法有机结合起来,形成改性工艺,能更有效地提高硅藻土的一些性能,充分利用硅藻土资源。

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