硅藻土的微观结构特点及其应用

1.引言

硅藻土是一种由古生物硅藻的含硅尸骸沉积而成的天然矿物原料，是大自然给予人类的宝贵财富。硅藻土矿的形成经历了上万年的地质变化。按形成硅藻土矿的硅藻体的来源，可分为湖相沉积型和海相沉积型或称为盐水沉积型和淡水沉积型两种。硅藻是一种个体很小的生物，一般为 1－100um，硅藻土就是这种生物的残骸沉积物。由于硅藻富有多孔结构，可以吸附 0.1-1.0um以上的颗粒或细菌，故具有过滤、除菌的功能。
    
硅藻的种属很多，常见的有圆筛藻、直链藻、冠盘藻、卵形藻、桅杆藻、小环藻等。由于硅藻土矿的形成经历了漫长的地质年代，除含有大量的硅藻体外，还含有很多杂质，其中常见的有石英、粘土、铁质矿物、碳酸盐、硫酸盐、火山灰等杂质矿物。
    
评价硅藻土矿品位的高低一般以其所含的无定形二氧化硅的含量，即硅藻体的含量为主，而目前我国以矿中二氧化硅的含量为评价标准，这样有时人们就不好区分其中无定形与结晶型矿物中的二氧化硅的相对比例是多少，给实际应用带来困难。而国外是以所含硅藻体的比例来判断矿床的品位。硅藻土矿在我国分布比较广，已在全国 14个省份发现硅藻土矿床 70余处。总储量居世界第二。在我国北方地区，硅藻土矿主要分布在吉林长白地区、内蒙商都、山东临朐等地，而南方矿区主要有云南腾冲、先锋，浙江嵊县，广东徐闻和四川米易等。其中大的矿区在吉林、云南和浙江，也是我国较早开发利用的矿区。另发现高钙型硅藻土矿有两处。但我国天然硅藻土矿的品位普遍不高，主要是中低品位，硅藻体含量一般在 30％－60％，二氧化硅的含量在 60％－80％，只有少数矿在 83％－90％左右，如吉林的浑江、长白地区的硅藻土矿。

2.硅藻土的微观结构特点
    
硅藻土的化学成分主要是SiO2，但其在结构上是无定形的，即非晶态的。这种非晶态的SiO2又称蛋白石。其实是一种含水的无定形胶态SiO2，可以表示为SiO2⋅nH2O。由于产地不同，其所含水量不同；硅藻土矿样的微观结构主要由所沉积下来的硅藻的种属有关系，因硅藻的种属不同，使得所形成的硅藻土矿的微观结构存在明显区别，故在使用性能上存在差异。以下是我们所研究的我国某地以陆相沉积为主所形成的硅藻土矿，其硅藻以直链型为主。

硅藻土原矿微观图像

从图 1 中的两张硅藻土原矿样的电子扫描图像（原矿样为浅灰色），可以明显发现该矿是以直链藻为主的硅藻土矿，中空的硅藻体在长度上有 20－40um，而直径在 10－15um 左右。圆柱型的硅藻体外形完整，壁上微孔大小均匀，排列整齐，孔径大小在 1/10um左右，简直就是精美的天然多孔材料。圆筒壁厚在 0.8－2um，壳体壁上的微空大约有 24－30 列；此外，还有一些圆筛藻，其直径较直链藻大，但孔径比直链藻小，微孔密集，且分布均匀。

而图 2 中的两张电子扫描图像是硅藻土原矿经 930℃高温煅烧后的微观形貌，可以发现该矿样经 930℃的高温处理，硅藻体的结构保持完好，大小孔径基本都没有变化，说明 930℃左右的高温对其微观结构几乎没有影响，但有研究指出硅藻土经 900－1200℃的热处理会使无定形SiO2转化为方石英，亦有人研究指出，硅藻土经 900℃的热处理，仍可保持非晶态。这主要与矿体形成类型和其所含杂质有关。本文未对这一过程进行研究，测试。

由于硅藻土独特的微观结构，使得其在建材、化工、农业、环保、食品、高新技术等很多领域有着广泛的应用价值。在日本，硅藻土的21％用于建筑材料工业，11％用于耐火材料，33％用于载体、填料，目前日本将其在新型建筑材料上的开发应用已取得很好效果。概括起来硅藻土的应用主要有：

（1）利用其微孔结构制备各种助滤剂材料和催化剂载体。这是硅藻土的主要用途之一。它充分利用了硅藻土的微观结构特性。但作为制备助滤剂的硅藻土矿以富含园筛藻的为好，而作为催化剂载体以直链藻结构的硅藻土矿为好，因为直链藻有非常大的内表面。
（2）制备保温耐火材料。在 900℃以下的保温材料中，硅藻土保温耐火砖是最理想的选择，这也是我国硅藻土矿的主要应用领域之一。
（3）硅藻土可以作为活性SiO2的主要原料来源。由于硅藻土中的SiO2是无定形的，所以具有较高的反应活性，如利用其与钙质原料反应制备硅钙板防火材料是非常理想的。当然对低品位的硅藻土矿要除去其中的部分杂质。
（4）利用其微孔吸附特性制备抗菌、防霉剂。这也是硅藻土新的重要应用之一，这是一种功能材料， 其具有生态效应。 杆菌的长度一般为 1－5um,球菌的直径为 0.5-2um， 而硅藻土的孔径在 0.5um,故用硅藻土制成的滤芯可以除去细菌，若在硅藻土滤芯中再附上抗菌剂、光敏剂，则除菌、杀菌效果会更好，而且可以制成抗菌剂添加到其他材料中,并达到缓释长效的目的。现在，人们可以利用高技术手段，以硅藻土为载体，制备出更加高效的硅藻土型防霉抗菌功能材料。
（5）利用硅藻土来制造微空玻璃。据说上海硅所已经在实验室开发成功，其有望作为一种新型分子筛材料，在未来的高技术领域得以应用。
（6）硅藻土对一些有毒、放射性元素有较好的吸附性，可以用来处理工业有毒废水和核废料中，如吸附Cd2+Pb2+Hg2+、89Sr2+等。
(7)在农业上，硅藻土可以经营养处理还可以作为农作物栽培的垫层、农药载体及粮食储存中的杀虫剂，特别在储粮虫害防治上，国外早以成功应用，效果很好，而对人无毒无害，成本低廉，是一种天然的杀虫剂。其实早在4000多年前，我们的祖先就知道这种天然原料具有防虫作用。他们在粮食储备中添加这种原料，就可以保持粮食长期储存，而不会变质，即硅藻土本身就具有杀虫、抗菌功效。我国现已作为重大科技项目进行开发研究。

总之，随着人们对硅藻土提纯和煅烧工艺技术的不断研究与开发，其潜在的应用价值会不断被发掘出来。