表面改性硅藻土的制備

孟曉敏，尚 尉

（東北電力大學 化學工程學院，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 化學工程學院，吉林 吉林 132012）

采用表面改性的方法對硅藻土進行改性，研究了經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、粒度分析儀對改性硅藻土進行表征。結果表明：硅藻土經改性后，硅藻土Zeta電位提高，硅藻土顆粒粒徑增大；同時，改性硅藻土抗剪切性能較好，改性硅藻土懸浮液經高速攪拌后，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遺骸組成的生物硅質，具有許多不同的形狀（圓盤狀、針狀、直鏈狀和羽狀等）；硅藻土由于雜質含量的不同，所以通常呈現出不同的顏色，如：白色、灰色、灰褐色或棕褐色等。硅藻土化學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，硅藻土還具有質輕、多孔、相對密度小等特點[5-6]。純凈干燥的硅藻土密度僅為0.40～0.9 g/cm3時，孔徑分布范圍大，空隙率高，具有很高的吸附能力，對聲、熱、電的傳導性能極差，所以硅藻土具有強吸附、隔音和隔熱的特性[7-8]。其化學穩定性高，除溶于氫氟酸外，不溶于任何強酸，易溶于堿。

我國己在14個省、自治區發現硅藻土礦70余處，探明儲量3.2億t，遠景儲量20億t。據吉林省國土資源廳資料顯示，吉林省硅藻土資源豐富，查明資源儲量居全國首位，開發利用前景廣闊。硅藻土價格低廉、資源豐富[9-10]，因此，對它的開發利用可謂方興未艾。獨特的硅藻殼體結構決定了它被廣泛應用于許多工業領域，在國民經濟發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、肥料載體和農藥、保溫隔熱材料、吸附劑以及漂白材料等。自20世紀90年代以來，國內廣大科研工作者對硅藻土開發利用進行了大量的相關研究工作，其中，開展了一系列對各種廢水處理的基礎應用研究工作；在其他方面，也進行了較多的研究工作，并取得了較好的效果[11-13]，但與國外較為成熟的硅藻土開發應用技術相比，仍然有較大差距。存在的主要問題是硅藻土產品檔次低，品種少，比較單一；尤其是高附加值的硅藻土產品較少，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，許多優質的硅藻土，只是作為原料出口或出售，造成大量硅藻土礦產資源浪費，沒有充分合理地利用硅藻土資源優勢，使其變成經濟優勢，不符合科學發展的要求。因此，需要加大提高對硅藻土的開發和利用水平。

本文通過對硅藻土表面改性，研究、探索、利用豐富廉價的硅藻土礦物資源，制備改性硅藻土，并研究硅藻土經改性后，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、粒度分析儀對改性硅藻土進行表征。通過對改性硅藻土性質的分析研究，對硅藻土應用提供理論指導，拓寬硅藻土產品的使用領域。

1 實驗

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，上海國藥化學試劑有限公司。

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

1.2 實驗方法

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，同時不斷地進行攪拌，待改性反應充分完成后，再進行過濾，將濾渣在溫度105℃條件下干燥，再將其研磨過65目篩，篩下土即為改性硅藻土，保存備用。

1.3 分析測試

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，所有樣品均進行鍍金處理。采用激光粒度分析儀測定改性硅藻土的粒徑。采用Zeta電位分析儀檢測改性硅藻土的Zeta電位。

1.3.2 抗剪切性能測定

稱取一定質量硅藻土，將其放入1 000 mL燒杯中，配成質量分數為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轉速攪拌，攪拌過程中，每隔10 min取1次樣，進行顆粒粒徑檢測，觀察粒徑變化。

2 結果與討論

2.1 改性硅藻土的顆粒形態

為研究改性硅藻土表面形態變化，通過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，圓盤內部有許多孔狀結構；硅藻土經過碳酸鈣改性后，硅藻土顆粒表面和孔狀結構中生成了許多碳酸鈣顆粒，表明碳酸鈣已經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構，這為改性硅藻土的應用打下了良好的基礎。

2.2 改性硅藻土的Zeta電位

研究了碳酸鈉濃度對改性硅藻土Zeta電位的影響，并與未改性硅藻土進行對比，結果如表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。當碳酸鈉量濃度由0.3 mol/L增加至0.5 mol/L時，改性硅藻土Zeta電位由-10.33 mV提高至-7.53 mV；再繼續增加碳酸鈉濃度，改性硅藻土Zeta電位略有下降?？梢?，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域中的應用創造了有利條件，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

為了研究改性過程對硅藻土粒徑的影響，通過激光粒度分析儀測定改性硅藻土和未改性硅藻土粒徑，結果如表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，如在制漿造紙應用中，粒徑變大，可以有效提高硅藻土與纖維之間的接觸機會，提高硅藻土留著率，同時有利于改善紙張的物理性能。

2.4 改性硅藻土的抗剪切性

抗剪切能力對于改性硅藻土應用是比較重要的，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-硅藻土復合物形成過程中施加的剪切力。不同攪拌速度下改性硅藻土粒徑隨攪拌時間的變化情況如圖2所示。實驗條件：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，當機械攪拌速度為1 000 r/min時，改性硅藻土和未改性硅藻土顆粒粒徑都沒有較大變化，而從60 min以后，當把攪拌速度提高為2 000 r/min時，隨著機械攪拌時間的增加，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因為攪拌、混合和泵送等作用而脫落。

3 結論

本研究通過對硅藻土表面改性得到了改性硅藻土，并對不同攪拌速度下改性硅藻土粒徑的變化進行了分析，研究發現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，Zeta電位升高，這為擴大改性硅藻土的應用范圍打下了良好的基礎，如用在制漿造紙當中，能夠使纖維之間有更多的接觸機會，同時能夠使纖維有更牢固的結合，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，2015，34（2）：496-500.

［2］ 金洋，王春賀，黃幫蕊，等.硅藻土的特點及其應用進展［J］.硅酸鹽通報，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展［J］.東北電力大學學報，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有機廢水吸附研究［J］.硅酸鹽通報，2015，34（2）：481-486.

［5］ 姜玉芝，賈嵩陽.硅藻土的國內外開發應用現狀及進展［J］.有色礦冶，2011，27（5）：31-37.

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

［7］ 尚尉，孟曉敏，譚雨清，等.硅藻土復合填料在造紙中的應用［J］.東北電力大學學報，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中的應用研究［J］.中國造紙，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展［J］.東北電力大學學報，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展［J］.中南林業科技大學學報，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］.東北電力大學學報，2015，35（6）：91-95.

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

［13］ 賈若琨，李佳.FeMnMg氧化物Fenton催化降解有機廢水［J］.東北電力大學學報，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）

吉林省科技發展計劃項目（20140204040GX）資助

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