表面改性硅藻土的制備

孟曉敏，尚 尉

（東北電力大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

表面改性硅藻土的制備

孟曉敏，尚 尉

（東北電力大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

采用表面改性的方法對(duì)硅藻土進(jìn)行改性，研究了經(jīng)改性后的硅藻土微觀特征變化、Zeta電位、粒徑和抗剪切性能的變化。采用掃描電子顯微鏡、Zeta電位分析儀、粒度分析儀對(duì)改性硅藻土進(jìn)行表征。結(jié)果表明：硅藻土經(jīng)改性后，硅藻土Zeta電位提高，硅藻土顆粒粒徑增大；同時(shí)，改性硅藻土抗剪切性能較好，改性硅藻土懸浮液經(jīng)高速攪拌后，粒徑下降較少。

硅藻土；表面改性；表征

硅藻土是由硅藻及其他微生物的硅質(zhì)遺骸組成的生物硅質(zhì)，具有許多不同的形狀（圓盤狀、針狀、直鏈狀和羽狀等）；硅藻土由于雜質(zhì)含量的不同，所以通常呈現(xiàn)出不同的顏色，如：白色、灰色、灰褐色或棕褐色等。硅藻土化學(xué)組成以二氧化硅為主，并含有少量的Al2O3、Fe2O3、CaO、Na2O和MgO等[1-3]。這些雜質(zhì)夾雜在硅藻殼孔隙中，或附著在殼表面，硅藻土粒徑微小，一般為幾微米到幾十微米[4]。此外，硅藻土還具有質(zhì)輕、多孔、相對(duì)密度小等特點(diǎn)[5-6]。純凈干燥的硅藻土密度僅為0.40～0.9 g/cm3時(shí)，孔徑分布范圍大，空隙率高，具有很高的吸附能力，對(duì)聲、熱、電的傳導(dǎo)性能極差，所以硅藻土具有強(qiáng)吸附、隔音和隔熱的特性[7-8]。其化學(xué)穩(wěn)定性高，除溶于氫氟酸外，不溶于任何強(qiáng)酸，易溶于堿。

我國(guó)己在14個(gè)省、自治區(qū)發(fā)現(xiàn)硅藻土礦70余處，探明儲(chǔ)量3.2億t，遠(yuǎn)景儲(chǔ)量20億t。據(jù)吉林省國(guó)土資源廳資料顯示，吉林省硅藻土資源豐富，查明資源儲(chǔ)量居全國(guó)首位，開(kāi)發(fā)利用前景廣闊。硅藻土價(jià)格低廉、資源豐富[9-10]，因此，對(duì)它的開(kāi)發(fā)利用可謂方興未艾。獨(dú)特的硅藻殼體結(jié)構(gòu)決定了它被廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要的作用。目前，硅藻土主要被用作助濾劑、催化劑載體、功能填料、肥料載體和農(nóng)藥、保溫隔熱材料、吸附劑以及漂白材料等。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)廣大科研工作者對(duì)硅藻土開(kāi)發(fā)利用進(jìn)行了大量的相關(guān)研究工作，其中，開(kāi)展了一系列對(duì)各種廢水處理的基礎(chǔ)應(yīng)用研究工作；在其他方面，也進(jìn)行了較多的研究工作，并取得了較好的效果[11-13]，但與國(guó)外較為成熟的硅藻土開(kāi)發(fā)應(yīng)用技術(shù)相比，仍然有較大差距。存在的主要問(wèn)題是硅藻土產(chǎn)品檔次低，品種少，比較單一；尤其是高附加值的硅藻土產(chǎn)品較少，特別是如何以硅藻土為原料，采用合理的方法制備高附加值的功能材料，這方面的研究更顯不足，許多優(yōu)質(zhì)的硅藻土，只是作為原料出口或出售，造成大量硅藻土礦產(chǎn)資源浪費(fèi)，沒(méi)有充分合理地利用硅藻土資源優(yōu)勢(shì)，使其變成經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，不符合科學(xué)發(fā)展的要求。因此，需要加大提高對(duì)硅藻土的開(kāi)發(fā)和利用水平。

本文通過(guò)對(duì)硅藻土表面改性，研究、探索、利用豐富廉價(jià)的硅藻土礦物資源，制備改性硅藻土，并研究硅藻土經(jīng)改性后，其微觀特征變化、Zeta電位、粒徑和抗剪切性能的變化。采用掃描電子顯微鏡、Zeta電位分析儀、粒度分析儀對(duì)改性硅藻土進(jìn)行表征。通過(guò)對(duì)改性硅藻土性質(zhì)的分析研究，對(duì)硅藻土應(yīng)用提供理論指導(dǎo)，拓寬硅藻土產(chǎn)品的使用領(lǐng)域。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料及儀器

硅藻土，臨江硅藻土公司；碳酸鈉、氫氧化鈉，分析純，上海國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司。

掃描電子顯微鏡（SEM），Zeta電位分析儀，OMEC LS-POP激光粒度分析儀，數(shù)顯恒溫磁力攪拌器，恒溫水浴鍋，數(shù)顯恒速攪拌器，恒溫水浴振蕩器。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

表面改性硅藻土的制備：在燒杯中加入一定量和一定濃度的Na2CO3溶液，一邊攪拌，一邊放入一定比例的硅藻土，然后再將飽和氯化鈣溶液緩慢滴加到燒杯中，同時(shí)不斷地進(jìn)行攪拌，待改性反應(yīng)充分完成后，再進(jìn)行過(guò)濾，將濾渣在溫度105℃條件下干燥，再將其研磨過(guò)65目篩，篩下土即為改性硅藻土，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 分析測(cè)試

1.3.1 改性硅藻土的表征

利用掃描電子顯微鏡觀察改性硅藻土的顆粒形貌特征，所有樣品均進(jìn)行鍍金處理。采用激光粒度分析儀測(cè)定改性硅藻土的粒徑。采用Zeta電位分析儀檢測(cè)改性硅藻土的Zeta電位。

1.3.2 抗剪切性能測(cè)定

稱取一定質(zhì)量硅藻土，將其放入1 000 mL燒杯中，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%左右的懸浮液。然后將該懸浮液分別以1 000 r/min和2 000 r/min轉(zhuǎn)速攪拌，攪拌過(guò)程中，每隔10 min取1次樣，進(jìn)行顆粒粒徑檢測(cè)，觀察粒徑變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性硅藻土的顆粒形態(tài)

為研究改性硅藻土表面形態(tài)變化，通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察硅藻土改性前、后其顆粒的微觀形貌特征，如圖1所示。

圖1 硅藻土改性前、后SEM照片

從圖1可以看出：未改性硅藻土大部分呈圓盤狀，其中還混雜一些小碎片，圓盤內(nèi)部有許多孔狀結(jié)構(gòu)；硅藻土經(jīng)過(guò)碳酸鈣改性后，硅藻土顆粒表面和孔狀結(jié)構(gòu)中生成了許多碳酸鈣顆粒，表明碳酸鈣已經(jīng)較好地附著在硅藻土表面和微孔中，而且由于碳酸鈣的生成，使得硅藻土多了許多微孔結(jié)構(gòu)，這為改性硅藻土的應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

2.2 改性硅藻土的Zeta電位

研究了碳酸鈉濃度對(duì)改性硅藻土Zeta電位的影響，并與未改性硅藻土進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 不同碳酸鈉濃度的改性硅藻土Zeta電位

從表1可以看出：改性硅藻土的Zeta電位隨碳酸鈉濃度的增加而升高。當(dāng)碳酸鈉量濃度由0.3 mol/L增加至0.5 mol/L時(shí)，改性硅藻土Zeta電位由-10.33 mV提高至-7.53 mV；再繼續(xù)增加碳酸鈉濃度，改性硅藻土Zeta電位略有下降?？梢?jiàn)，采用碳酸鈉和氯化鈣制備改性硅藻土，可有效提高硅藻土Zeta電位，這主要是由于改性硅藻土表面結(jié)合了碳酸鈣，所以改性硅藻土Zeta電位比未改性硅藻土的高很多。這也為改性硅藻土在造紙及廢水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件，例如改性硅藻土的Zeta電位越高，越有利于其留著。

2.3 改性硅藻土的粒徑

為了研究改性過(guò)程對(duì)硅藻土粒徑的影響，通過(guò)激光粒度分析儀測(cè)定改性硅藻土和未改性硅藻土粒徑，結(jié)果如表2所示。

表2 不同碳酸鈉濃度的改性硅藻土粒徑

從表2可以看出，改性硅藻土的粒徑隨碳酸鈉濃度的增加而略有增加。粒徑的增加有利于提高其使用性能，如在制漿造紙應(yīng)用中，粒徑變大，可以有效提高硅藻土與纖維之間的接觸機(jī)會(huì)，提高硅藻土留著率，同時(shí)有利于改善紙張的物理性能。

2.4 改性硅藻土的抗剪切性

抗剪切能力對(duì)于改性硅藻土應(yīng)用是比較重要的，影響其使用性能，改性硅藻土的粒徑主要取決于淀粉-脂肪酸-硅藻土復(fù)合物形成過(guò)程中施加的剪切力。不同攪拌速度下改性硅藻土粒徑隨攪拌時(shí)間的變化情況如圖2所示。實(shí)驗(yàn)條件：前60 min以1 000 r/min速度攪拌，后60 min以2 000 r/min速度攪拌；碳酸鈉量濃度為0.5 mol/L；原硅藻土粒徑為4.8 μm。

圖2 改性硅藻土粒徑的變化

從圖2可以看出：在前60 min，當(dāng)機(jī)械攪拌速度為1 000 r/min時(shí)，改性硅藻土和未改性硅藻土顆粒粒徑都沒(méi)有較大變化，而從60 min以后，當(dāng)把攪拌速度提高為2 000 r/min時(shí)，隨著機(jī)械攪拌時(shí)間的增加，改性硅藻土顆粒粒徑不斷變小，但粒徑減小幅度較??；而未改性硅藻土顆粒粒徑，仍然沒(méi)有明顯變化。硅藻土顆粒粒徑變化情況表明，改性硅藻土有較好的抗剪切能力，大部分在硅藻土表面原位生成的碳酸鈣不會(huì)因?yàn)閿嚢?、混合和泵送等作用而脫落?/p>

3 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)硅藻土表面改性得到了改性硅藻土，并對(duì)不同攪拌速度下改性硅藻土粒徑的變化進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)表面改性硅藻土有較好的抗剪切能力；改性后硅藻土的粒徑變大，同時(shí)，Zeta電位升高，這為擴(kuò)大改性硅藻土的應(yīng)用范圍打下了良好的基礎(chǔ)，如用在制漿造紙當(dāng)中，能夠使纖維之間有更多的接觸機(jī)會(huì)，同時(shí)能夠使纖維有更牢固的結(jié)合，提高改性硅藻土的留著率。

［1］ 石曉輝，李宏濤.以硅藻土為原料原位合成生物微孔碳化硅［J］.硅酸鹽通報(bào)，2015，34（2）：496-500.

［2］ 金洋，王春賀，黃幫蕊，等.硅藻土的特點(diǎn)及其應(yīng)用進(jìn)展［J］.硅酸鹽通報(bào)，2016，35（3）：810-814.

［3］ 張瑛潔，孫祎臨，張弘偉.硅藻土純化處理工藝研究進(jìn)展［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34（6）：67-72.

［4］ 施云芬，魏冬雪，奚海軍，等.基于硅藻土懸浮填料制備及其對(duì)有機(jī)廢水吸附研究［J］.硅酸鹽通報(bào)，2015，34（2）：481-486.

［5］ 姜玉芝，賈嵩陽(yáng).硅藻土的國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀及進(jìn)展［J］.有色礦冶，2011，27（5）：31-37.

［6］ 楊曉明，孫斌，翟東旭.多孔介質(zhì)通道氣液兩相流型及壓降特性研究［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34（4）：1-6.

［7］ 尚尉，孟曉敏，譚雨清，等.硅藻土復(fù)合填料在造紙中的應(yīng)用［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35（3）：55-58.

［8］ 張克娟，張大坤，李新生.硅藻土在造紙法煙草薄片生產(chǎn)中的應(yīng)用研究［J］.中國(guó)造紙，2015，34（4）：26-32.

［9］ 張瑛潔，程偉，王春霞.改性活性炭電極的制備研究進(jìn)展［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34（4）：37-41.

［10］ 朱健，王平，雷明婧，等.硅藻土理化特性及改性研究進(jìn)展［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（12）：61-66.

［11］ 劉亮，黃瑩瑛，陸凱雷.不同非金屬材料緊固力矩值研究［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35（6）：91-95.

［12］ 任華峰，苗英霞，張雨山，等.硅藻土在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.化工進(jìn)展，2013，32（S1）：213-216.

［13］ 賈若琨，李佳.FeMnMg氧化物Fenton催化降解有機(jī)廢水［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34（6）：47-53.

Preparation and Characterization of Surface Modified Diatomite

MENG Xiao-min，SHANG Wei
（College of Chemistry Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China）

The diatomite was modified using the method of surface modification.The change of the diatomite’s microstructure characteristics，Zeta potential，particle size and shear resistance were studied after modification.The morphology，particle size，and zeta potential of the modified diatomite were determined with scanning electron microscopy，particle size analyzer and Zeta potential analyzer，respectively.The results indicated that the Zeta potential and particle size of the modified diatomite were increased.At the same time，the modified diatomite suspension has less drop in particle size after high speed stirring，it revealed that the modified diatomite has good shear resistance.

diatomite；surface modification；characterization

TQ424.22

A

1007-2225（2016）06-0017-03

孟曉敏女士（1963-），副教授；主要從事化學(xué)工程與工藝的研究；E-mail：mxm.2008@aliyun.com。

2016-09-27（修回）

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（20140204040GX）資助

本文文獻(xiàn)格式：孟曉敏，尚尉．表面改性硅藻土的制備[J]．造紙化學(xué)品，2016，28（6）：17-19．