新型硅藻土助濾劑的應用研究

　新型硅藻土助濾劑的應用研究


作者：趙惠書



摘要： 本方主要對新型助濾劑—硅藻土的應用前景、資源分布情況、物理和化學性質進行了深入研究。通過對其物理性質和化學性質研究發現，硅藻土是一種非常好的一種材料，未來應用前景廣闊，有待于進一步開發，使其更廣泛的應用到人民生活、生產、建設當中去。
關鍵字： 硅藻土 助濾劑 應用

　　一、概述
　　硅藻是最早在地球上出現的原生生物之一，生存在海水或者湖水中。硅藻土，是被稱之為硅藻的單細胞植物死亡后經過1至2萬年左右的堆積期，形成的一種化石性的硅藻堆積土。
　　硅藻土礦床屬硅質巖石生物化學沉積成因，是由硅藻類動物和其它生物的硅質骨骼部分的堆積和隨之改造而成。硅藻土（diatonite）由于硅藻土具有細膩、松散、質輕、多孔、吸水和滲透性強、對人無毒無害等特點，并有特殊的結構構造使得它具有許多特殊的技術和物理性能，如大的孔隙度，較強的吸附性、質輕、隔音、耐磨耐熱并有一定的強度，被廣泛用于輕工、化工、建材、石油、醫藥、衛生、等部門，近些年也被廣泛應用于水處理行業。
　　二、硅藻土礦產資源分布
　　硅藻土是一種硅質巖石，世界上有20多個國家產出硅藻土礦。主要分布在中國、美國、丹麥、法國、蘇聯、羅馬尼亞等國。我國硅藻土礦床大多形成于第三紀和第四紀，且與玄武巖密切共生。按形成條件，硅藻土礦床分為海相礦床和陸相湖泊沉積兩種類型，我國絕大多數硅藻土礦屬于陸相湖泊沉積。
　　我國硅藻土礦資源較豐富，硅藻土儲量3.2億噸，資源量在20億t以上。截至1996年底，全國保有硅藻土礦石儲量3.9億t，位居世界前列。主要集中在華東及東北地區，其中規模較大，工作做得較多的有吉林、浙江、云南、山東、四川等省，其中吉林省礦床數最多(18個)，保有儲量也最多，達21119萬t；其次是云南省，保有儲量7752萬t。分布雖廣，但優質土僅集中于吉林長白地區，其他礦床大多數為3~4級土，由于雜質含量高，不能直接深加工利用。
中國硅藻土保有儲量表
地區 礦區數(個) 總量(萬t礦石)
B+C D 合計
全國 34 10610 27919 38529
河北 2 - 2800 2800
吉林 18 4688 16425 21113
浙江 2 2732 1554 4286
四川 4 387 969 1356
云南 1 2459 5293 7752
　　SiO2含量是硅藻土礦石中硅藻含量量度標志之一，SiO2高則質優。在大型礦床中吉林省長白縣外圍普查區SiO2含量較高，達到80.69％；其次是吉林省長白縣西大坡詳查區，SiO2 75．46％。中型礦床以吉林省長白縣馬鞍山Ⅱ號礦段最高，SiO2 83．46％；其次是吉林省臨江市西小山礦床，SiO2 81.39％。6個大型礦床平均SiO2含量64.64％，19個大、中型礦床平均SiO2含量67.90％，即礦石質量多數屬中等。
6個大型礦床共計保有儲量30320萬t，占全國保有儲量的79％。其中以吉林省長白縣西大坡礦規模最大，詳查區及外圍普查區合計保有儲量16207萬t；其次是云南省尋甸縣先鋒礦區，保有儲量為7760萬t；第三位是浙江省浦義礦區，保有儲量3580萬t。
硅藻土礦經常與粘土礦共生，粘土可以單獨成層，也可與硅藻土相雜，形成粘土質硅藻土或硅藻質粘土。一般說粘土是有害組分，但在某些用途中則是有益組分。硅藻土礦與褐煤、泥炭層共生以云南先鋒礦區最為典型。
硅藻土礦成礦時代一般較新，埋藏多數不深，因此主要是露天開采，僅部分礦床采取地下開采。有的從水下挖出，以礦泥形式泵取。
　　根據礦石中SiO2和粘土礦物含量，將礦石分為以下三類：
　　（1）硅藻土 （SiO2 >85%）
　　（2）粘土質硅藻土 （SiO2 50%~85%）
　　（3）硅藻粘土 （SiO2 <50%）
　　三、硅藻土性質
　　硅藻土是一種生物成因的硅質沉積巖，主要由古代硅藻遺體組成，其化學成份主要是SiO2，含有少量的Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、P2O5和有機質。SiO2通常占80%以上，最高可達94%。優質硅藻土的氧化鐵含量一般為1~1.5%，氧化鋁含量為3~6%。
　　硅藻土的礦物成份主要是蛋白石及其變種，其次是粘土礦物—水云母、高嶺石和礦物碎屑。礦物碎屑有石英、長石、黑云母及有機質等。有機物含量從微量到30%以上。
　　硅藻土的顏色為白色、灰白色、灰色和淺灰褐色等，有細膩、松散、質輕、多孔、吸水性和滲透性強的物性。
　　硅藻土中的硅藻有許多不同的形狀，如圓盤狀、針狀、筒狀、羽狀等。松散密度為0.3-0.5g/cm3,莫氏硬度為1~1.5（硅藻骨骼微粒為4.5-5mm），孔隙率達80-90%，能吸收其本身重量1.5-4倍的水，是熱、電、聲的不良導體，熔點1650-1750°C，化學穩定性高，除溶于氫氟酸以外，不溶于任何強酸，但能溶于強堿溶液中。
　　硅藻土的氧化硅多數是非晶體，堿中可溶性硅酸含量為50~80%。非晶型SiO2加熱到800~1000°C時變為晶型，堿中可溶性硅酸可減少到20~30%。
☆硅藻土物理指標及產品型號
化學成分（%） 燒成品 溶劑燒成品
SiO2 90 90.30
Al2O3 4 4
Fe2O3 1.5 1.5
CaO 0.6 0.6
MgO 0.5 0.5
其它 0.4 0.8
燒失重 3 3

型號 制造方法 顏色 滲透率 PH 堆密度 中位粒徑
10# 燒成品 紅 0.11-0.15 6-9 0.45 24-28
20# 燒成品 紅 0.15-0.20 6-9 0.45 21-25
40# 燒成品 紅 0.35-0.40 6-9 0.43 22-26
200# 溶劑燒成品 白 2.2-2.5 8-10 0.43 28-32
300# 溶劑燒成品 白 2.5-3.0 8-10 0.43 30-34
400# 溶劑燒成品 白 3.5-4.0 8-10 0.43 32-36
700# 溶劑燒成品 白 6.3-7.0 8-10 0.43 38-44
WX2# 燒成品 紅 微細 7-9 0.32-0.40 5-7
WX3# 溶劑燒成品 白 微細 8-10 0.38-0.45 9-12
WX200# 溶劑燒成品 白 微細 8-10 0.43 30-34
WX260# 溶劑燒成品 白 微細 8-10 0.43 22-26
WX300# 溶劑燒成品 白 微細 8-10 0.43 11-14
WX600# 溶劑燒成品 白 微細 8-10 0.47 11-14
WX800# 溶劑燒成品 白 微細 8-10 0.44 9-11
沉淀粒度分布（%）微米 燒成品 溶劑燒成品
40以上 1-8 1-20
40-20 3-15 12-45
20-10 15-30 25-60
10-5 15-50 3-40
5-2 10-35 1-15
2以下 8-20 1-3

硅藻土助濾劑衛生指標
燒成品 溶劑燒成品
顏色 紅色 顏色 灰白-白色
PH 6-7 PH 8-10
水可溶物 每升10mg 水可溶物 每升25mg以下
砷化物 4ppm以下 砷化物 4ppm以下
重金屬 0.005%以下 重金屬 0.005%以下
燒失重 3%以下 燒失重 3%以下
　　四、工藝特性及主要用途
　　由于硅藻土具有細膩、松散、質輕、多孔、吸水和滲透性強等特點，并有特殊的結構構造使得它具有許多特殊的技術和物理性能，如大的孔隙度，較強的吸附性、質輕、隔音、耐磨耐熱并有一定的強度，被廣泛用于輕工、化工、建材、石油、醫藥、衛生等部門。
　　我國60%以上的硅藻土用于生產保溫材料，10%用于生產各種填料，用于助濾劑只占百分之幾。硅藻土主要用途、國內外硅藻土產品結構用途對比見以下兩表。
　　1、硅藻土干燥品：把硅藻土通過強制干燥后進行粉碎分級，生產出不同型號的產品。微細品可用于農藥、造紙的添加劑，可延長藥效、改變紙的性能。中粗品可用于過濾、化肥添加、混凝土、高瀝青路面添加等。
　　2、硅藻土助濾劑：是通過干燥、煅燒、粉碎、分級，制造出不同型號的的硅藻土助濾劑，可使用到各種液固分離，不同的液固分離采用不同的硅藻土助濾劑型號。應用范圍廣泛：
　　（1）油制品：冷卻油、潤滑油、變壓器油等。
　　（2）涂料顏料產品：各種油漆，樹脂等。
　　（3）酸類：硫酸、硝酸、磷酸等各種無機有機酸。
　　（4）一般化學制品：乙醇、甘油、火箭液體燃料等。
　　（5）油類、脂肪及蠟制品：豆油、桐油、乳膠液、再生蠟、明膠、海帶膠等。
　　（6）水果、蔬菜類液體：蘋果汁、胡蘿卜汁等。
　　（7）酒和釀造制品：啤酒、白酒、醬油等
　　（8）糖及糖漿類液體：果糖、葡萄糖、食用白糖等。
　　（9）藥品：抗菌素、維生素、中草藥、提取液等。
　　（10）水處理：工廠廢水、游泳池水、河水等。
　　（11）其它：消毒液、洗滌液、電鍍液等
　　3、添加劑：添加劑是用來改變被添加物質的性能。如：造紙、農藥、塑料、化肥、混凝土、高瀝青路面、橡膠、樹脂、玻璃鋼、電瓶隔板等。
　　4、吸附劑：從人尿中提取尿蛋白，填充乙炔氣瓶等。
　　5、催化劑載體：硅藻土具有良好的化學惰性、合適的比表面、良好的孔隙率以及耐磨、耐酸、耐熱等特性，而成為眾多催化劑的理想載體。加氫反應的鎳鈷催化劑，醇脫氫反映，銅鉻催化劑載體，硫酸釩催化劑載體等。
　　國內外硅藻土產品結構用途對比
用 途 比 例， %
國 內 國 外
過濾材料
功能填料
載 體
輕質保溫材料
其 他 2~4
9~11
6~8
58~6
18~20 64~66
21~23
5~6
5~6
3~4

　　五、硅藻土生產質量標準
　　硅藻土的產品規格及質量是根據各工業部門及用戶的具體要求確定的，目前我國無統一的標準，以下兩表分別列出了各種用途對硅藻土質量要求和吉林敦化及樺甸兩地幾個產品的出口標準。
　　各種用途對硅藻土的質量要求
用 途 規 格 或 要 求
隔熱和隔音材料 要求為粉劑，密度小于0.6t/m3，最好為0.2~0.3 t/m3 ，濕度不大于10%，少含熔融鋁和其他影響硅藻土潤濕效果的金屬
助濾劑 硅藻土質地純凈，硅藻含量高，藻類形態完整，雜質含量小，不含易溶解于溶液中的物質，用于食品過濾時，除應符合衛生標準外，還應保持原液體的香味和顏色
吸附劑 要求硅藻土比表面積大，容重低，能吸附比自身重2.5倍的水
填充劑（填料） 對硅藻土的顆粒大小、顏色、亮度、吸附性、pH值、折射率等都有一定要求
催化劑載體 載體是精制的硅藻土，顏色要求為白色。載體性能好壞主要取決于硅藻孔結構的狀態，一般來說以直鏈藻的孔結構為最好。用作催化劑載體的精制硅藻土以山東臨朐的硅藻土質量最佳
建筑材料 供建筑材料用的硅藻土，水分不能過多
其他用途 陶瓷原料坯和釉面磚要求：
SiO2 >85%，Fe2O3 <1%
制造水玻璃，要求成份純凈，SiO2含量高，且呈非晶質狀態
　　吉林敦化樺甸硅藻土礦出口產品標準
產地 品名 級別 化 學 成 份， % 細度目 含水量
% 松散密度
kg/m3
SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO CaO 雜質含量
吉林敦化 硅藻土 原礦 68.45 19.70 2.40 0.81 1.09
硅藻
土粉 1 68.45 19.70 2.40 0.81 1.09 7.60 150 5 320
2 66.30 19.91 2.61 0.94 2.50 8.40 120 7 380
3 64.50 20.40 3.39 1.05 2.38 9.40 80 10 430
焙燒級硅藻
土粉 1 >65 <15 <3 <0.8 <1.50 120 3 320
2 >60 <19 <5 <0.9 <2.2 80 5 380
吉林樺甸 硅藻土粉 1 80~84 5.80 2.13 0.8 1.70 6.30 低于80 10~15
　　注：用于冶金、發電廠、石化、機車、造紙、玻璃、制糖、油漆、熔爐等的隔熱材料。
　　六、綜合利用工藝技術
　　硅藻土是生物成因的硅質沉積巖礦物，原礦中，往往拌生有大量的有機質和粘土類礦物，而賦存于硅藻土孔隙內的雜質很難用常規選礦方法除去，雖然酸浸法能提高硅藻土的品位，但由于硅藻土吸附能力強，使得酸溶液中的某些雜質又會進入硅藻，加之酸洗成本較高，又易造成嚴重的環境污染；通常硅藻土選礦加工流程為：原礦—一段磨礦及干燥—二段磨礦及干燥—預分選—旋流器分離—粉狀產品。若需要進一步加工則送回轉窯煅燒（加熔劑或不加熔劑）－－磨礦冷卻—分選分級—填料級或助濾劑級產品。
　　由于礦石品位不同及對硅藻土產品的要求不同，分別采用干法或濕法選礦，其原理和應用范圍列于下表。
　　硅藻土選礦方法
選礦方法 選礦原理 應用對象 主要設備
干法 1． 1． 利用硅藻土與脈石密度（比重）的差異進行分選
2． 2． 在一定的溫度下加熱干燥，除去其中的有機物及易揮發物，以及大量的水分等，使硅藻土得以富集 高品位礦石 空氣分離器
旋轉式干燥機
濕法 根據硅藻土與脈石密度（比重）的差異進行分選 低品位礦石 水力旋流器
　　很多領域都是利用硅藻土硅殼結構的多孔性，在加工時，必須注意保護硅藻骨骸的結構及獨特形狀，認真選擇適宜的破碎磨礦設備及工藝條件，最大可能地保護硅藻結構完整，避免次生破碎。常用的磨礦設備是氣流粉碎機。
　　我國目前還沒有一個較完善的硅藻土選礦加工廠，只有幾個單位從事了低品位硅藻土的選礦提純研究，但基本上形成了一定生產能力，其中云南西部某硅藻土礦選礦提純生產就達到了一定規模。
　　該礦為粘土硅藻土，質地較好，經確定，硅藻土主要是舟形藻，其次是桅桿藻，月形藻園篩藻等。通過篩分分析，-25mm占51.97% ，SiO2的分布率為63.05%，品位為86.60%，比原土SiO284.56%有較大提高，故可采用預先篩分除去粗粒級的辦法提高入選品位。原土的理化性質列于以下兩表中。
　　云南西部某硅藻土礦的原土化學分析
組 分 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Cr TiO2
含量，% 84.56 3.77 0.56 0.46 0.49 0.001 0.20
組 分 Be Ba Zr Pb Mn Cu
含量，% 0.000 0.001 0.000 0.000 0.000 0.000
云南西部某硅藻土礦的原土物理性質
松散密度，g/cm3 比表面積，m2/g 孔徑分布，Å 活性，mg/g 顯氣孔率，%
0.41 3.43 500~300 150~253 ≥65
自然堆積，度 摩擦角（鐵板），度 摩擦角（水泥板），度 液限，%
55~60 45~48 65~70 72.29
　　經磁選試驗、磁—重分離試驗，選擇性絮凝—磁—重分離試驗、活化焙燒試驗等。其結果分別列于下表中。
　　云南西部某硅藻土礦磁選試驗結果
試驗名稱及最佳條件 產品名稱 品位，% 回收率，%
SiO2 Fe2O3 SiO2 Fe2O3
磁場強度試驗：
最佳磁場強度H為1440kA/m 精土 86.95 0.41 78.57 38.57
聚磁介質試驗：
最佳聚磁介質2#鋼毛 精土 87.16 0.31 86.38 34.07
給礦濃度試驗：
最佳給礦濃度15% 精土 87.36 0.29 76.48 31.17
沖洗水量試驗：
最佳沖洗水量300ml/min 精土 87.89 0.27 75.45 39.15
　　云南西部某硅藻土礦磁選-重選試驗結果
膠管出口與最低點的距離 精土品位，% 精土中Fe2O3 含量，% 回收率，%
0 cm 85.61 0.35 73.16
30 cm 88.72 0.25 72.19
云南西部某硅藻土礦選擇性絮凝－－磁－－重選試驗結果
試驗條件 產品名稱 品位，% 回收率，%
SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO
原礦磁力攪拌擦洗→聚凝(淀粉50g/t，濃度10%)→磁重選 磁重產物 61.82 1.36 8.52 1.05 1.45 21.73 72.45 67.44 68.03 88.52
硅藻精土 94.76 0.22 1.75 0.21 0.08 78.47 27.55 32.56 31.97 11.48
給 礦 84.93 0.56 3.77 0.46 0.49 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00
　　云南西部某硅藻土礦活化焙燒試驗結果
活化焙燒時間試驗 活化焙燒溫度試驗
焙燒時間
h（600°C） 焙燒前
SiO2含量，% 焙燒后
SiO2含量，% 焙燒溫度，°C
（6h） 焙燒前
SiO2含量，% 焙燒后
SiO2含量，%
3
4
~
6
8
10
94.76
90.14
~
90.14
90.14
90.14
96.56
92.14
~
92.63
92.81
93.63
300
500
600
700
800
900
1100 89.07
89.07
89.07
89.07
89.07
89.07
89.07 90.07
92.90
93.14
93.57
94.31
92.63
92.63
　　磁選能有效地除去原土中的Fe2O3，可得到SiO2含量達87.89%、Fe2O3含量0.27%的產品，絮凝—磁—重分離能有效分離比磁化系數很小，粒度很細的硅藻顆粒，選擇性絮凝可將Fe2O3等雜質絮凝成團聚體，使之變成較大顆粒利于磁選分離和重選分離，活化焙燒不僅可以除去硅藻土中的有機質，起到提純作用。當活化焙燒溫度在700—800℃時，活化效果最好，可使精土品位提高2~5百分點。
　　總之，在原土SiO2為84.56%、Al2O3為3.77%、Fe2O3為0.56%情況下采用預先分級脫雜—選擇性絮凝—磁重選分離流程，可以取得適合于生產助濾劑的硅藻土精土（見表13）。目前已用該法建廠生產。選礦粘土焙燒后指標為：SiO296.71%、Fe2O30.63%、Al2O31.67%、CaO 0.2%、MgO 0.10%。
　　七、開發利用現狀及發展趨勢
　　美國是硅藻土的最大生產國，產量近70萬噸，其產量的64%用于過濾；丹麥是歐洲硅藻土的主要生產國，其主要產品是粘土質硅藻土，含30%的柔性粘土，煅燒后用于生產輕質保溫板條和板。我國由于優質土很少，僅吉林長白一處，近年來硅藻土助濾劑工業發展很快，由70年代未兩條簡易生產線（生產能力1000噸左右）發展到70多條，生產能力10萬噸左右；其中除云南、浙江嵊縣采取物理—化學法將三級土提純為一級土，內蒙化德縣助濾劑廠用本地硅藻土做原料外，幾乎都用長白硅藻土做原料，包括上海、寧波、成都等地廠家。而長白已與美國富力特公司合作，在建成兩條1.5萬噸助濾劑生產線基礎上，又新建一條年產2萬噸助濾劑生產線，預計我國對助濾劑的需求量將會進一步增長，隨著人口的增長，工業建設的高速發展，對凈水和飲用水的需求量就增多了，隨之需要用更多的象硅藻土那樣的廉價過濾材料來循環凈化水液。由于燃料價格上漲。粘土質硅藻土磚和板在內的保溫耐火材料將得到更大量的應用，特別是油井鉆探水泥是一個發展中的市場。
　　參考文獻：孟建平;范瑾初;謝燕菊;高乃云.國產硅藻土助濾劑理化性能的研究.中國給水排水,1994年第4期

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