硅藻土

硅藻土（Diatomite）是一种天然无机非金属矿物材料，它是由古代单细胞硅藻经过长期地质作用形成的生物硅质岩。

硅藻土的化学成分以SiO₂为主，含有少量Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO、K₂O、Na₂O、P₂O₅和有机质。SiO₂含量通常占60%以上，优质硅藻土矿可达90%左右。优质硅藻土的氧化铁含量一般为1%～1.5%，氧化铝含量为3%～6%。硅藻土所含大多为非晶质二氧化硅，硅藻土越纯或硅藻含量越高，其非晶质二氧化硅含量就越高。但硅藻土被加热到800-1000°C时，其非晶质二氧化硅向晶质二氧化硅转变。硅藻土呈弱酸性，是一种固体酸。其表面的多孔性与负电性使其呈现明显的表面吸附性，同时硅藻土表面还存在大量的硅羟基及氢键，它们同时存在于硅藻土的微孔中，这也是硅藻土具备吸附性能的重要原因。

硅藻土分子结构

纯净干燥的硅藻土呈现白色土状。由于天然硅藻土往往含有铁氧化物或有机质等杂质，所以常常呈白色、灰白色、灰色和浅灰褐色等，并且有机质含量越高、湿度越大，则其颜色越深。硅藻土主要物理特性是松散（堆积密度0.3～0.5g/cm3），质轻（莫氏硬度为1～1.5，密度2.0g/cm3），多孔 （孔隙率达60%～80%，孔道有序或有规律分布，孔径分布从几纳米到上百纳米，氮吸附平均孔径10nm左右） ，比表面积10～80m/g，吸水和渗透性强（能吸收其本身重量1.5～4倍的水），热稳定性好（熔点1650～1750℃），化学稳定性好（除氢氟酸外，不溶于任何强酸，但能溶于强碱溶液中），而且是热、电、声的不良导体。

硅藻土为硅藻生物的遗骸，它与硅藻生物在微观形态上是一致的，硅藻土具有上百种的结构形态，主要有圆盘藻、圆筒藻、圆筛藻、圆环藻、球形藻、羽形藻、棒状藻等。硅藻土表面具有大孔和小孔两种类型的孔结构，小孔孔径20-50nm，大孔孔径100-300nm，硅藻土具有独特的多级孔道结构。

部分硅藻土的结构形态

部分硅藻土的颗粒形貌

硅藻土外表面（a）和内表面（b）的原子力显微镜照片

硅藻是一种单细胞植物，其个体微小（1～125μm），生活在水深合适、含可溶性硅酸的特定湖泊或浅海环境中。硅藻在一定的光与温和营养物质等物理化学条件下，通过吸收水中的可溶性硅酸构成细胞壁，死亡后其遗骸沉积于海底或湖底，其有机质部分分解腐烂，化学性质稳定的硅质细胞壳壁保留下来，便形成了硅藻土。形成硅藻土矿的条件较为苛刻，需要同时满足以下条件：①浅水盆地，区域广，水体较浅；②具有丰富的可溶性SiO₂来源；③丰富的营养物质供给；④水质好，无毒，水流稳定性好；⑤碎屑成分少，它会影响到硅藻土的品质和工业价值。目前发现的硅藻土矿床的形成时期主要在第三纪和第四纪。

硅藻土资源在全球分布广泛，总量巨大，主要分布在美国、中国、丹麦、日本、法国、墨西哥等国。中国的硅藻土资源储量仅次于美国位居全球第二，主要分布于东北地区、东部、四川攀西以及云南省的东部和西南部。在已探明的硅藻土资源中，可以不经选矿直接加工生产硅藻土助滤剂的，全球只有美国加利福利亚州的罗姆波克矿床，中国吉林省长白县的马鞍山矿床和西大坡矿床。这三处矿床的一级品原土的非晶质SiO₂含量都在80%以上，是罕见的优质硅藻土矿床。

根据各种矿物含量的不同，硅藻土矿可以分为硅藻土、含黏土硅藻土、黏土质硅藻土、硅藻黏土等几种类型。1、硅藻土：不同形状硅藻含量大于80%，黏土含量5%左右，矿物碎屑1%～2%，干体堆积密度为0.35～0.5g/cm，硅藻土呈白色至灰白色及灰绿黄色，质轻，细腻，多孔隙，疏松，具有生物结构，块状构造及微细层理构造。属于优质矿石。2、含黏土硅藻土：硅藻含量大于65%，黏土含量15%～20%，矿物碎屑2%～4%，干体堆积密度为0.5～0.6g/cm，其他特征与硅藻土相同。3、黏土质硅藻土：硅藻含量40%～65%，黏土矿物25%～40%，矿物碎屑5%左右；干体堆积密度为0.6～0.7g/cm，呈灰白或灰黄色，较致密，黏性较强，不易成粉状，具块状构造。4、硅藻黏土：硅藻含量20%～40%，黏土矿物50%以上，矿物碎屑5%～10%；干体堆积密度大于0.7g/cm。呈灰黄色至灰绿色，较致密，黏结性强，具块层状及微层状构造。这种类型为硅藻土与黏土的过渡类型，需经选矿方可为工业利用。

硅藻土的主要应用

助滤剂是硅藻土最主要的应用产品，约占中国硅藻土产品总量的35%，约占美国硅藻土产品消费量的50%。作为助滤剂，硅藻土广泛应用于造酒行业（啤酒、白酒、果酒等）、饮料行业（饮料、果汁等）、医药（抗生素、口服液等）、油脂（润滑油、食用油等）、水处理（生活用水、工业用水、废水处理等）、肥料、精细化工产品等的过滤。

硅藻土助滤剂

硅藻土作为填料是其仅次于作为助滤剂的第二大用途，提纯后的硅藻土具有质轻、多孔、隔热性好、吸附性强、化学性质稳定等优点，它可以用作油漆、塑料、橡胶、功能特性纸张、杀虫剂、肥皂、洗衣粉、肥料、沥青、炸药、颜料及涂料的填料；能改善产品的稳定性、弹性、分散性等，提高产品的强度、耐磨性和耐酸性等；作为功能性填料，还可起到消光作用。

硅藻土改性沥青

硅藻土是硅藻泥修饰材料的主要原料，硅藻土加入其他辅料，可制成保温砖、板，微孔硅酸钙、脂膏砖、绝热混凝土等，另外也可以用于制作泡沫玻璃、轻质骨料、沥青路面混合料添加剂等。

硅藻土保温板

硅藻土在化学反应中具有惰性，耐高温性好，在工业上可以作为硫酸工业中钒催化剂、加氢工艺中镍催化剂、石油工业中磷酸催化剂的理想载体，也可以作为炸药密度调节剂、研磨材料等；在农业上可以作为农药、杀虫剂、高效复合肥的理想载体。

硅藻土可以吸附相当于自身重量2.5倍的水，可用于制作地毯净化剂的液体载体、杀虫剂载体和造纸中的色调控制剂；可将硫酸和磷酸等有害液体转为干粉，以便更安全、更容易地运输和存储。

硅藻土吸水地垫

利用硅藻土具有适当的硬度，以及自身特殊的骨架结构，作为磨料时既具有研磨作用，又不会产生划痕，研磨和抛光效果良好。在牙膏中加入硅藻土，可提高研磨性和去污能力。

含硅藻土成分的牙膏

在肥料中添加适量硅藻土干细粉，可以防止结块，使施肥更均匀，保持肥效。硅藻土还可用作炸药防结块的干燥剂。

花卉用硅藻土肥料

表1、硅藻土的主要用途和质量要求

天然高纯度的硅藻土矿很少见，硅藻土选矿的目的是要除去其中泥砂、碎屑及铁、铝等杂质，使硅藻富集。选矿工艺可分为粗选和精选。粗选工艺包括破碎、混合、磨碎和烘干，但是粗选产品一般不能用于过滤，用作助滤剂、填料和催化剂载体的硅藻土需要精选加工。1、对于硅藻含量较高的硅藻土，可采用简单的旋风分离法（即在干燥或中温煅烧和选择性粉碎后采用旋风分离器或空气离心分选机进行选别），也可以采用湿式重力沉降（硅藻原土→擦洗制浆→重力沉降→过滤→干燥）或离心沉降（硅藻原土→擦洗制浆→离心沉降→过滤→干燥）的方法进行选别。2、绝大多数的硅藻土矿床属于含黏土硅藻土和黏土质硅藻土，需要对硅藻土和黏土颗粒进行解离和分选。目前在工业上应用的工艺是：擦洗制浆→稀释→沉淀分离→负压脱水→热风干燥→精细分级→硅藻精土。先用擦洗机将原土加水搅拌成浓矿浆，加水稀释矿浆至10%～20%的浓度后给入高速分散机内，加入分散剂，然后将矿浆依次送入初分离器、二次分离器、精分离器中沉淀分离，收集湿硅藻精土进行过滤干燥后即得硅藻精土。对于纯度要求很高的硅藻精土，在用物理方法精选后还须采用化学方法如酸浸法（使用硫酸和盐酸，也可适量添加氢氟酸，加温反应一定时间，使硅藻土中含Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO黏土矿物杂质与酸作用，生成可溶性盐类，然后压滤、洗涤并干燥，即得到较高纯度的硅藻精土）进一步提纯。3、对于有机质含量较高的黏土质硅藻土，一般采用煅烧工艺来提高硅藻土的纯度。

硅藻土助滤剂的加工生产主要采用焙烧法。硅藻土助滤剂的生产流程为：烘干→压碎→分离→加助熔剂→混合→焙烧→压碎→分级过筛。根据工艺的不同，硅藻土助滤剂可分为煅烧品（指硅藻土原料经650°C-1000°C煅烧、粉碎、分级而得到的产品）和助溶煅烧品（指硅藻土原料加入适量的助溶剂，经800°C-1200°C煅烧、粉碎、分级而得到的产品）两类。

硅藻土主要含非晶质二氧化硅，比晶质二氧化硅（石英等）更易于与NaOH反应生成硅酸钠（水玻璃），进而制得白炭黑。其工艺流程如下图所示。

图5、硅藻土制备白炭黑的工艺流程图

控制好酸析和陈化工艺条件，同时采取适当的粒子表面处理技术还可用硅藻土制备纳米二氧化硅。

硅藻土表面含有大量的硅羟基和氢键，这些—OH基团是硅藻土具有表面活性、吸附性以及酸性的本质原因。利用其电负性，硅藻土可以有效吸附水中的重金属离子。通过复配改性技术，可以进一步提高硅藻土对有机废水与复杂废水的吸附性能。

硅藻土、石棉（也可用硅灰石和纤维海泡石）、石灰、硅酸钠（水玻璃）等作为主要原材料可以制备微孔硅酸钙，其制备方法按水化硅酸钙形成原理分为静态法、动态法和动态-静态联合法三种。

用硅藻土负载纳米TiO2制备的纳米TiO2/硅藻土复合材料兼具吸附捕捉性能与光催化降解性能；具有较高的比表面积和良好的透光性；在紫外线和太阳光下都有优良的光催化性能而且稳定性和重复使用性能好。相应的生产流程如下图所示。通过稀土元素（如铈[shì]、钒等）、非金属元素（如氟[fú]、碳、氮等）掺杂及异质结修饰（如g-C3N4/ TiO2、BiOCl/ TiO2等）制备改性纳米TiO2/硅藻土复合光催化材料，均可以有效地拓展负载的纳米TiO2光谱响应范围，提高其对太阳光的利用率。

图6、纳米TiO2硅藻土复合光催化材料生产工艺流程

以硅藻土为主要原料，充分利用硅藻土中原有孔道的特点，采用低温烧结（950℃以下）和加入添加剂可制得孔径细小、分布均匀、比表面积大和有一定强度的多孔陶瓷材料。

以硅藻土为载体、有机固-液相变物质及其复配物等为相变体硅藻土相变储能复合材料已经进行了实验室制备和性能表征研究。其采取的制备工艺如下图所示。

图7、硅藻土基相变储能复合材料制备工艺

硅藻土在很久以前就被人们所熟知。公元532年，罗马人使用硅藻土做成轻质砖建造教堂的圆屋顶；1836年，德国在汉诺威地区开采了第一个硅藻土矿床；1893年，美国开发了位于加利福利亚州的矿床，生产出的硅藻土出口到法国，被作为管道保温材料。到了19世纪后期，诺贝尔利用硅藻土作为硝化甘油液体的吸收剂，用以制作炸药；1899年，硅藻土助滤剂已用于生产过滤粗糖液；1922年，许多国家已经有了硅藻土工业。之后，硅藻土工业规模、品种、产量逐步扩大。

硅藻土的开采有露天开采和地下开采两种方法。其开采方法取决于矿床的地理位置、矿体形状与厚度、杂质分布、覆盖层厚度、生产规模等。其中露天开采是更为经济的方法，在美国主要采用露天开采，在欧洲、非洲、亚洲等部分地区也有采用地下开采的方法，如在冰岛有采用水下开采硅藻土的方法，从1米深的水下挖取硅藻软泥浆，用泵送至工厂。中国的硅藻土矿床一般埋藏较浅，覆盖层不厚，很多矿区都采用露天开采。硅藻土多数是小规模开采。开采及运输设备一般用掘土机、拖拉机、推土机、汽车、风镐、小推车等。

在硅藻土矿开采时，由于硅藻土中含有大量水分，矿床比较潮湿，开采时灰尘较少，对工人的健康影响较小。但在硅藻土加工时，由于进行直接煅烧和溶剂煅烧工序，经过加工的硅藻土中方石英的含量增加，工人如果长期与空气中的二氧化硅（硅藻土）尘埃接触，会比较容易的矽肺病。硅藻土开采后，露天存放，经过搬运、运输后，在地表与大气间反复扬起和沉降，导致空气中以PM2.5和PM10为代表的颗粒物浓度飙升，会危害矿区周边人群和生态系统及区域环境。

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