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我國硅藻土產品的發展前景及加工技術研究方向 |
來源:中國粉體技術網 更新時間:2014-08-01 10:23:37 瀏覽次數: |
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一、硅藻土產品的發展前景
硅藻土是一種質輕、多孔且孔隙呈有規律分布、孔徑介于十幾納米至數百納米、比表面積較大、化學性質穩定的天然硅質礦物材料,具有選擇性吸附和微過濾、隔熱、隔音、耐磨、耐腐蝕和耐候性等物理性能或功能。這些性能或功能涉及食品安全、節能、環保、健康以及生物化工等領域,因此,硅藻土及其制品具有良好的應用前景。
1. 硅藻土具有獨特的孔結構和穩定的化學性質,是目前使用最為成功的助濾劑及吸附劑。
中國人口眾多,飲品市場容量大,隨著對飲品質量標準的不斷提高和產量的不斷增加,對硅藻土類助濾劑和吸附劑的需求量也將不斷增加。此外,硅藻土的吸附和微過濾功能還用于液態生化制劑和藥劑的選擇性過濾和分離,伴隨現代生化、醫藥產業的發展,具有良好的發展前景。
2. 硅藻土的無定形硅質成分、輕質、隔熱等特性,使其成為生產保溫、節能材料的優選原料之一。
硅藻土隔熱制品是優良的保溫節能材料,廣泛應用于熱力管道、熱工設備、化工設備、建筑物等的保溫。伴隨國家和社會對節能支持力度和需求的不斷增加,對隔熱保溫材料的需求量將持續增長。同時,硅藻土的多孔和獨特的孔結構特性還可以用于吸附、固定固液相變材料,從而制備出相變穩定性好的相變調溫儲能復合材料。因此,硅藻土隔熱保溫和調
溫儲能材料具有良好的需求前景。
3. 硅藻顆粒的獨特孔結構特性與較大的比表面積、良好的熱穩定性和耐酸性及表面大量的自由羥基和締合羥基,是良好的天然吸附和催化劑載體材料,而且使用過程和使用后對環境友好。
研究表明,在硅藻精土表面負載納米TiO2制備的復合材料,具有吸附與光催化兩種功能。
經過提純、復合或負載催化劑后的硅藻土環境治理材料可以廣泛用于工業污水、生活廢水以及室內空氣的凈化。在當今中國經濟快速發展、民眾生活水平不斷提高、建設環境友好型社會列為基本國策的大背景下,硅藻土環境治理材料有廣闊的應用前景。
4. 硅藻泥、硅藻壁材或硅藻涂料是充分利用硅藻土天然稟賦的典型健康環保材料,
它利用硅藻土的大孔體積在潮濕環境下吸附水分子,在干燥環境下釋放水分子,從而調節室內濕度,被稱之為“可呼吸涂料”;同時,由于硅藻土獨特的孔結構特性,硅藻壁材還可以吸附室內的有機污染物,如甲醛、甲苯、苯等;如果將硅藻土負載納米TiO2復合材料應用于內墻材料,還可以高效持續地光催化降解甲醛、甲苯、苯等有機污染物。因此,以硅藻土為主要組分的內墻裝飾復合材料適應了人類對室內環境健康環保的需求,具有良好的發展前景。
5. 硅藻土的硅質成分和多孔結構,使其用作鋪路瀝青的填料能顯著提高路面的耐老化、耐高溫和低溫、耐磨等性能,同時,還可以減少車輛行駛時的噪聲,降低改性瀝青的成本,具有良好的市場前景。
6. 糧食安全是中國面臨的重大問題之一。據研究,硅藻土殺蟲劑防蟲殺蟲效果好、防護期長、對哺乳動物無毒、不污染環境,在儲糧害蟲防治領域應用前景較好。
二、 硅藻土加工技術的發展趨勢
硅藻土是一種儲量有限和不可再生、對人類社會可持續發展不可或缺的重要礦產資源,而且人類迄今還不能合成硅藻結構材料,因此,在加工利用中必須珍惜這種寶貴資源。所謂珍惜,一是要充分利用其天然稟賦,將其用到最能發揮其天然稟賦的領域;二是要通過采用現代高新技術提升或優化其天然稟賦,使其為人類社會發揮更大的作用;三是采用先進選礦技術充分利用低品位硅藻土資源,這一點對于中國這樣一個低品位硅藻土資源占絕對多數的人口大國來說尤其重要。鑒于此,硅藻土加工利用的發展趨勢是綜合利用高、中、低品位硅藻土資源;充分利用硅藻土的獨特物理化學和孔結構特性,開發健康、環保、節能功能的硅藻土制品或硅藻礦物材料,如飲料、食品及生物制品過濾凈化材料、廢水處理與室內空氣凈化材料、室內調濕和調溫功能材料。
(1)中、低品位硅藻土資源的高效綜合利用是中國硅藻土產業可持續發展的必由之路。
中國硅藻土儲量雖然居世界第二位,但儲量和質量與美國差距很大。美國內華達地區70%以上硅藻土為優質硅藻土,中國硅藻土資源質量最好的吉林長白山地區,優質硅藻土的比例也僅有30%左右,而且30多年來,由于只采優質一級硅藻土資源,大量的二級或三級硅藻土資源被浪費;另一方面,我國云南(除騰沖縣的少量資源外)、浙江、內蒙古等地的硅藻土資源基本上屬于低品位資源,含有大量黏土、砂質和碎屑等雜質,不能直接用來生產助濾劑、吸附劑、功能填料等高性能和高附加值硅藻制品或材料。因此,中、低品位硅藻土資源的高效綜合利用是中國硅藻土產業可持續發展的必由之路。
低品位硅藻土礦利用的難點在于硅藻顆粒與黏土礦粒的分離和分選。黏土礦嵌布粒度微細分布于硅藻顆粒之間而且存在于硅藻顆??椎乐?,難以解離和分選。硅藻土選礦技術的另一個特點是要盡可能減少硅藻結構的破壞,因為完整的硅藻結構對于其應用性能非常重要。因此,一般在選礦過程中盡量不采用磨礦方式以避免對硅藻結構的破壞。
為了解決我國優質硅藻土資源不足的問題,國家“十二五”科技支撐計劃重點項目專門設置了“低品位硅藻土資源高效利用與深加工關鍵技術研究(2011BAB03B07)”課題,目標之一是“攻克制約低品位硅藻土物理選礦產業發展的關鍵技術———濕法高效連續分選技術與裝備,為低品位硅藻土礦的大規模高效選礦生產線的建設和發展提供關鍵技術支撐”。主要攻克以下4個關鍵技術:①硅藻土與黏土礦物的解離與分散技術;②硅藻土與黏土礦物的連續層流離心沉降分選技術與裝備及分選工藝優化和智能控制技術;③選礦尾礦的處理和綜合利用技術;④年產12?。埃埃埃艄柙寰恋倪x礦示范生產線建設。圖5所示為項目中試所得硅藻精土的SEM 檢測結果。預計,該課題完成后對我國硅藻土資源的利用和硅藻土產業的持續發展具有重要支撐作用和重大戰略意義。
(2)充分利用硅藻土的特性,發展最能發揮其天然稟賦的材料或制品。
硅藻土最突出的特性是其顆粒中有規律分布和貫通納米孔道的硅質多孔結構。目前還沒有發現具有這一結構特點的其他天然礦物。因此,硅藻土資源加工利用的一個重要發展趨勢是充分利用其特性,發展能最大限度發揮或挖掘其天然稟賦的材料或制品,如飲料、飲水、啤酒、生物醫藥制劑的吸附過濾材料,工業廢水和生活污水處理材料,健康環保(調濕和凈化室內空氣)內墻裝飾材料,保溫隔熱與隔音材料,催化劑載體等等。
助濾劑是硅藻土的傳統加工產品,也是國內外用量最大的硅藻土制品,未來仍將是硅藻土產業的主要發展領域之一。硅藻土助濾劑主要是以優質硅藻土為原料,采用干燥、煅燒或熔劑煅燒技術生產。其發展趨勢是:①采用現代信息和控制技術優化生產工藝,穩定產品質量,降低能耗和生產成本;②發展高性能助濾劑以及現代生物醫藥制劑選擇性微過濾產品。
工業廢水和生活污水處理材料是硅藻土最有發展前景的領域之一。硅藻土水處理材料主要用優質硅藻土或提純精土為原料采用表(界)面改性與復合技術和(或)造粒技術等加工而成。其主要趨勢是發展多功能材料,即不僅能吸附污染物質而且能分解或降解污染物(持續或永久除去污染物),而且方便回收和重復使用、使用過程和使用后對環境友好的高性能工業廢水和生活污水處理材料。硅藻泥、硅藻壁材、硅藻涂料等是近十多年來發展的一種健康環保內墻裝飾材料,這種材料最早的功能是利用硅藻土良好的吸濕和放濕功能調節室內的濕度,即在潮濕時節吸附水分,干燥時節放出水分,因此被譽稱為“可呼吸涂料”。同時,硅藻土還對室內的氣態污染物,如甲醛、甲苯等具有吸附功能。但就硅藻土本身的特性來說,存在吸附飽和點,飽和以后就會脫附,即將吸附的有害氣體放回空氣中。吸入水分和吐出水分是人類所希望的調濕功能,但吸附的甲醛、甲苯等有害氣體再釋放則是人們所不希望的。因此,未來的發展趨勢是在調濕功能基礎上可以高效和可持續降解室內甲醛、苯、甲苯等有機污染物。
輕質保溫隔熱材料是當前我國硅藻土的主要制品之一,但大多是用硅藻含量較低的硅藻土礦燒制而成,技術含量和產品附加值較低。未來的發展趨勢:①改進和優化輕質保溫隔熱材料的配方、成型和燒制工藝,提高其性能和附加值;②負載復合相變材料,發展調溫蓄能型節能新材料;③發展具有調濕、絕熱、抗菌、吸附等功能的硅藻土多孔陶瓷材料。
催化劑載體用的硅藻土產品雖然用量目前不是很大,但其附加值較高。這種產品選用優質硅藻土礦為原料,集成采用選礦、復配改性、負載、成型/造粒等技術加工而成。未來的發展趨勢是優化其孔結構和孔徑分布以提高硅藻土載體的比表面積;同時發展高效低耗的成型/造粒技術和表面活性組分可控負載技術。
(3)采用現代高新技術提升或優化硅藻礦物材料的天然稟賦或功能。
生物遺骸在長期地質作用下形成硅質硅藻顆粒的過程中共生了大量的黏土礦物,部分膠體范圍的黏土顆粒賦存于硅藻顆粒的孔道內淤塞硅藻顆粒的孔道,從而影響硅藻土天然稟賦的發揮。目前采用的物理選礦方法很難分離除去這些孔道內淤塞的黏土,只有化學方法(酸處理)方可溶出。但是酸處理帶來環境污染問題。因此,研發高效分離硅藻孔道中淤塞的黏土雜質,疏通硅藻中孔道的方法將是未來硅藻土加工利用技術的發展趨勢之一。
在硅藻土良好吸附性能的基礎上,負載納米TiO2等光催化組分,使其不僅具有吸附甲醛、甲苯、苯酚等有機污染物的功能,而且具有光催化降解這些有機污染物的功能。以室內硅藻涂料為例,在沒有負載納米TiO2等光催化組分之前,硅藻土可以吸附室內的甲醛,但是,它只能將甲醛吸附在硅藻顆粒的孔道中,不能將其分解成無害物質。這樣,隨著室內甲醛的不斷產生,吸附逐漸達到飽和,之后,不僅不能繼續吸附甲醛,而且在環境溫度、濕度等條件的變化下,吸附的部分甲醛將會釋放回到空氣中。而在硅藻顆粒表面負載了納米TiO2光催化組分之后,在陽光和燈光的照射下,吸附的甲醛被納米TiO2光催化反應降解為二氧化碳和水,這樣,材料可以繼續吸附捕捉甲醛。如果將吸附比做生命體的胃的話,納米TiO2光催化組分就是其消化功能。吃到胃里的食物經消化后可以繼續進食。不僅如此,研究表明,硅藻土表面負載TiO2不僅可以賦予其光催化降解有機污染物的功能,而且可以優化其孔結構,形成更多的中孔和顯著提高其比表面積,進而提高其吸附性能。因此,硅藻土表面負載納米TiO2等光催化組分后的復合材料可以顯著提升硅藻土的環保功能。
中國在納米TiO2/硅藻土復合材料的制備和應用技術近幾年取得了顯著進展:2006
年完成實驗室研究;2009年完成年產120t中試納米TiO2/硅藻土復合材料中試生產線建設生產;2013年10月投產的年產1000t納米TiO2/硅藻土復合材料產業化示范線建設得到國家“十二五”國家科技支撐重點項目課題“低品位硅藻土資源高效利用與深加工關鍵技術研究”和2012年國家發改委“產業振興和技術改造項目”中央預算內投資計劃的立項支持。在該材料制備技術方面,目前已獲得或申請了多項國家發明專利,發表了多篇學術和技術論文。圖6所示為納米TiO2/硅藻土復合材料的形貌(SEM 和TEM 圖)。未來的發展趨勢是進一步優化制備工藝,通過金屬和/或非金屬摻雜等方法提高對可見光的利用率,同時,加快材料的應用技術研究和標準化建設。
(4)基于硅藻土獨特的孔結構特性和化學穩定性,以硅藻土為吸附材料負載固液相變材料制備相變儲能復合材料是近年來提升硅藻土功能的另一個重要的創新方向。
相變儲能材料是一種能自然感知環境溫度變化并通過“相”態變化來自動進行封閉區域環境溫度調節以達到調溫、恒溫目的的新型節能材料。但固液相變材料要有一種載體來容納,使其發生“相”態變化,即由固相因吸熱變為液相時,液體不滲出;由液相因放熱變為固相時,有空間容納其體積膨脹。因此相變儲能材料基本上是一種負載型的復合相變材料。硅藻土的高比表面積、大孔體積可以提高相變材料的負載量,從而提高相變潛熱。
硅藻土有規律分布的納米孔結構特性可以更好地吸附固定相變材料分子,從而改善和提高復合相變材料的耐久性;加之硅藻土是一種儲量豐富、容易開采和加工的天然硅質礦物,來源較廣泛,生產成本較低。因此,硅藻土基相變復合儲能材料有望顯著提高相變復合材料的儲熱性、耐久性、經濟性及實用性,促進相變材料的技術進步和產業發展,節約能源,具有良好的發展前景。
結論:
硅藻土是一種生物成因的硅質沉積巖,具有獨特孔結構特性和非晶質二氧化硅成分,是一種與食品安全、人類健康環保、節能以及現代高技術新材料產業密切相關的礦產資源。
中國是目前世界上位居第二的硅藻土資源儲量國和硅藻土產品生產國,但是,優質資源很少;采用先進選礦技術綜合利用占絕大多數的低品位硅藻土資源是中國硅藻土產業可持續發展的必然需要,具有戰略意義。充分利用硅藻土的天然特性,最大限度發揮或挖掘其天然稟賦的材料或制品是 硅藻土加工利用的一個主要趨勢和方向。
采用現代高新技術提升或優化硅藻礦物材料的天然稟賦或功能,發展具有光催化降解功能的高性能環保材料、具有相變儲能與調溫功能的節能材料是硅藻土復合功能材料的重要趨勢和方向,將顯著提升硅藻土的應用價值和應用范圍。
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