李志威，代 宗，王 宏

(1.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心，北京 100035；2.咸陽非金屬礦研究設(shè)計院有限公司，陜西 咸陽 712021)

硅藻土以其獨(dú)特的微孔結(jié)構(gòu)及納米特性被廣泛應(yīng)用于輕工、化工、建材、石油等許多領(lǐng)域[1]。目前對于低品級硅藻土的開發(fā)利用較少，造成了低品級硅藻土資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，且對環(huán)境造成了巨大壓力。因此對于低品級硅藻土尤其是II級、III級土的開發(fā)和利用尤為緊迫。本文重點調(diào)查了吉林白山地區(qū)目前正在開采的硅藻土主要礦山，針對吉林白山地區(qū)低品級硅藻資源現(xiàn)狀、利用現(xiàn)狀，以及低品級硅藻土開發(fā)利用的問題，介紹了低品級硅藻土直接利用，探討了提純加工方法，指出了低品級硅藻土的開發(fā)利用方向。

1 硅藻土資源現(xiàn)狀

我國已探明硅藻土資源儲量5.13億t，其中吉林省探明資源儲量最多，約3.56億t，吉林白山地區(qū)是目前我國發(fā)現(xiàn)的最大優(yōu)質(zhì)硅藻土資源蘊(yùn)藏地。雖然云南沖騰和內(nèi)蒙古也有一些優(yōu)質(zhì)硅藻土資源，但其資源儲量小，并且內(nèi)蒙古硅藻土礦屬于“雞窩礦”不能規(guī)模開采或者根本不具備開采條件。其他地區(qū)如云南旬邑、臨滄、浙江嵊州硅藻土雜質(zhì)含量較高，加工處理除雜較難、成本高，同時環(huán)境污染嚴(yán)重。

吉林省白山地區(qū)硅藻土資源無論是品質(zhì)還是資源儲量遠(yuǎn)勝其他地區(qū)，主要分布在臨江—長白地區(qū)，占全省資源儲量的84.27%。其中I級硅藻土約占資源總量的20%～25%，II級、III級硅藻土占總量的65%～70%。

2 低品級硅藻土利用現(xiàn)狀

筆者曾對硅藻土的產(chǎn)業(yè)狀況、利用狀況及消費(fèi)市場進(jìn)行了較為深入的總結(jié)論述[2]。吉林白山硅藻土以品質(zhì)好而聞名，但硅藻土礦層呈層狀產(chǎn)出，礦層在垂向上具有明顯韻律，一般從下至上為：硅藻粘土→粘土質(zhì)硅藻土→含粘土質(zhì)硅藻土→硅藻土→含粘土質(zhì)硅藻土→粘土質(zhì)硅藻土→硅藻粘土，其間為漸變關(guān)系，I級硅藻土一般產(chǎn)在礦層中部。目前開采礦山一般沿著I級土礦層(中心部位)采用平硐開采方式掘進(jìn)，上下層的II級、III級不被開采或部分開采，資源回采率低，浪費(fèi)嚴(yán)重。被采空的上層資源容易造成礦層坍塌，再回來開采II級、III級土，開采難度將會更大，開采成本將會更高，資源開發(fā)綜合利用率很低。因此，目前的開采方式造成資源浪費(fèi)的同時也破壞了原有資源的分布及開采條件，既使后期可開采，開采難度和成本將急劇上升。

目前I級硅藻土主要用于助濾劑市場。低品級硅藻土由于品質(zhì)較差，不能直接應(yīng)用于助濾劑，雖然經(jīng)提純后可以達(dá)到I級土的質(zhì)量要求，但由于成本較高，應(yīng)用較少。目前大部分企業(yè)只開采I級硅藻土，獲取自身短期的經(jīng)濟(jì)效益，低品級硅藻土不被開采或采出后堆放(開采過程中無法避開礦段)，造成硅藻土資源的極大浪費(fèi)。稀缺優(yōu)質(zhì)資源不僅沒有得到合理的開發(fā)利用，同時原土堆放造成植被破壞，水土流失，周邊生態(tài)環(huán)境受到一定影響。

3 低品級硅藻土的開發(fā)利用探討

硅藻土的開發(fā)利用是秉持礦產(chǎn)資源“吃干榨凈”理念的應(yīng)有之意。對低品級硅藻土進(jìn)行開發(fā)利用，一方面是綠色礦山建設(shè)的題中之意；另一方面可以提高資源綜合利用率，延長礦山服務(wù)年限。對低品級硅藻土的開發(fā)利用分為直接利用和提純加工利用兩種方案。

3.1 直接利用領(lǐng)域

直接利用是指將開采的低品級硅藻土不經(jīng)過加工直接進(jìn)行應(yīng)用，其主要可以應(yīng)用于造紙?zhí)盍?、農(nóng)業(yè)應(yīng)用、瀝青改性劑、板材、砌塊等領(lǐng)域。

(1)造紙?zhí)盍稀?/p>

卜揚(yáng)[3]研究了填加Ⅰ級硅藻土和Ⅱ級硅藻土對成紙的撕裂指數(shù)的影響趨勢基本相同，但添加二級硅藻土過多對于紙張白度有不利影響。李金寶等[4]研究表明：硅藻土可作為白度要求不高的輕質(zhì)印刷紙的填料使用，是一種加填效果較好的填料。

(2)農(nóng)業(yè)應(yīng)用。

朱健等[5]發(fā)現(xiàn)硅藻土對重金屬離子的吸附主要為孔道內(nèi)部復(fù)雜的綜合吸附，重金屬離子能夠被有效固定。況且硅藻土源自土壤，不會為土壤帶來二次污染，同時硅藻土還具有一定的持水性，有助于土壤肥力的恢復(fù)。Piri等[6]研究發(fā)現(xiàn)硅藻土可使土壤中的重金屬向更穩(wěn)定的形態(tài)重新分布，其成本低廉，在改良土壤中具有顯著的潛力。

Prakash等[7]發(fā)現(xiàn)：硅藻土在酸性和堿性土壤中均可提高土壤中植物可用硅的含量，在最佳條件下SiO2含量在53.1%和63.7%的硅藻土釋放的植物可用硅含量較高。Nascimento等[8]研究表明，施加硅藻土增加了甜瓜果實的數(shù)量和重量?？赡苁怯捎诠柙逋恋奶砑犹岣吡颂鸸现仓陮韬宛B(yǎng)分(N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn)的吸收。低品級硅藻土在殺蟲劑、農(nóng)藥緩釋等農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面有獨(dú)特的應(yīng)用。

(3)瀝青改性劑。

李旭東[9]、Tan等[10]發(fā)現(xiàn)硅藻土中SiO2含量和硅藻含量對改性瀝青影響較大。瀝青經(jīng)硅藻土改性后，其馬歇爾穩(wěn)定度提高、高溫穩(wěn)定性提高、抗低溫性提高，各項性能優(yōu)于純?yōu)r青。鄧秋紅[11]采用Ⅱ級硅藻土對瀝青進(jìn)行改性，深入研究了II級土對瀝青各項指標(biāo)的影響，獲得最佳的配比。

(4)板材、砌塊應(yīng)用。

目前低品級的硅藻土在板材、砌塊等領(lǐng)域也有一些應(yīng)用探索。白濤等[12]以III級土、消石灰和水為主要原料，通過模壓成型、水熱固化等工藝的有機(jī)結(jié)合，得到一種具有適宜力學(xué)強(qiáng)度的輕質(zhì)建筑板材。Gencel等[13]進(jìn)行了硅藻土—聚丙烯纖維輕質(zhì)石膏復(fù)合材料的研究，硅藻土的加入降低了復(fù)合材料的整體質(zhì)量，提高了復(fù)合材料的隔熱性能。吉冬萍[14]研究發(fā)現(xiàn)II級土、III級土制備的硅藻土磚的抗折強(qiáng)度和吸水率較好，且采用電氣石作為功能性添加料可以使硅藻土磚具有釋放負(fù)氧離子的功能。Man等[15]以III級土為原料，加入過硼酸鈉和白云石為助熔劑，燒結(jié)制備多孔磚。其容重低、抗折強(qiáng)度高，各項參數(shù)均高于國家多孔磚標(biāo)準(zhǔn)。

以上低品級硅藻土直接應(yīng)用領(lǐng)域的研究表明：低品級硅藻土在填料方面直接應(yīng)用有一定的前景，一方面需要進(jìn)一步對低品級硅藻土在該領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)攻關(guān)；另一方面還需要進(jìn)一步研究，拓寬應(yīng)用領(lǐng)域，擴(kuò)大應(yīng)用市場。

3.2 低品級硅藻土加工利用

低品級硅藻土SiO2含量低，硅藻殼體的多孔性很差，且硅藻殼上存在粘土礦物和有機(jī)物等雜質(zhì)，它們與硅藻殼體相互夾雜、包裹和固結(jié)，堵塞了硅藻殼體的天然微孔肢體，使硅藻土最出色的天然多孔性能受到嚴(yán)重影響。因此某些領(lǐng)域需要對低品級硅藻土采用各種手段和措施將這些堵塞微孔的粘土礦物雜質(zhì)和一些有機(jī)雜質(zhì)去除，然后再進(jìn)行應(yīng)用[16]。

3.2.1 物理提純法

(1)擦洗法。

擦洗法是在硅藻土顆粒磨細(xì)后利用水流及礦物顆粒之間的剪切力，使粘結(jié)在硅藻殼上的黏土礦物和碎屑礦物脫附解離。通過不斷擦洗，大量雜質(zhì)礦物得以分離，使其純度不斷提高，且擦洗次數(shù)越多，效果越好。但單純使用擦洗法提純難以得到高品質(zhì)的硅藻精土。

(2)浮選法。

由于低品級硅藻土含有大量的有機(jī)質(zhì)和雜質(zhì)，采用化學(xué)法直接提純成本高。采用浮選法先提純除雜得到較高品質(zhì)的硅藻土精土是可行的。高瑩等[17]對吉林臨江Ⅲ級硅藻土進(jìn)行浮選提純試驗研究，通過對各項浮選條件進(jìn)行優(yōu)化，將SiO2含量由74.58%提高至79.38%，回收率為42.74%。由此可見浮選法可以一定程度提純硅藻土，但仍然難以得到高品質(zhì)硅藻精土。

(3)離心分選法。

由于常規(guī)擦洗法是在重力場進(jìn)行的，效率較低。而在離心力場中采用離心分選，離心力可達(dá)到重力的數(shù)十倍甚至上千倍，從而可以加大顆粒的分層速度，提高設(shè)備的處理能力。Yang等[18]對臨江II級土采用離心分選，將原土SiO2含量由80.17%提純至87.41%，且精土中的孔隙較原土有了明顯改善。離心分選法雖然可以去除包裹在硅藻殼外壁的雜質(zhì)，但是對于夾雜、固結(jié)在硅藻殼體內(nèi)部孔洞的雜質(zhì)去除效果不佳，若采取更大的擦洗力度還會破壞硅藻殼體結(jié)構(gòu)，使硅藻殼破碎，甚至失去應(yīng)用價值。

3.2.2 化學(xué)提純法

(1)焙燒法。

焙燒工藝是一種最簡單、最有效的提純工藝，也是制備用作助濾劑硅藻土的純化過程的關(guān)鍵工藝，且成本低，操作簡便。焙燒工藝主要用于燒失量較高的硅藻土提純處理，由于原土中存在的有機(jī)質(zhì)對鐵、鋁等雜質(zhì)的浸出起到阻礙作用，將原土煅燒后，有機(jī)質(zhì)以及吸附在硅藻土中的自然態(tài)水揮發(fā)，可有效的改善酸浸條件，因此，此法多用于和酸浸法或堿浸法聯(lián)合使用[19]。鄭水林等[20]在不同溫度下對硅藻土進(jìn)行焙燒試驗，發(fā)現(xiàn)圓篩形硅藻土在450℃下焙燒2h后原有形貌保持不變，比表面積和孔隙率達(dá)到最大值，當(dāng)焙燒溫度升至900℃后圓篩形硅藻土邊緣部分開始出現(xiàn)融化，當(dāng)焙燒溫度繼續(xù)升高到1 150℃后，硅藻土的微孔結(jié)構(gòu)基本消失。因此在硅藻土焙燒處理中選擇合適的焙燒溫度至關(guān)重要。另外，焙燒法不能去除黏土類雜質(zhì)，必須和其他方法配合使用方能達(dá)到提純目的。

(2) 酸浸法。

硅藻土中的有效成分SiO2不溶于除HF以外的其他酸，而其他雜質(zhì)礦物能溶于酸。利用該特性能夠有效去除氧化物、碳酸鹽、硫酸鹽等礦物雜質(zhì)。San等[21]采用鹽酸處理硅藻土，原土經(jīng)酸浸1h后，比表面積由189m2/g提高到222m2/g，但是要獲得SiO2含量為95%以上的硅藻土則需要酸浸12h以上。經(jīng)酸浸處理后，硅藻土品位提高的同時，孔容量、比表面積都有明顯增大。但采用酸浸處理方法，存在酸處理耗時長、酸對設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、廢液必須經(jīng)過嚴(yán)格的處理后才能進(jìn)行排放等缺點。

3.2.3 聯(lián)合提純法

單一的提純方法，難以經(jīng)濟(jì)高效的對硅藻土進(jìn)行提純加工，而聯(lián)合法可以集合各方法的優(yōu)點，是硅藻土提純常用的方法。劉楊等[22]采用物理擦洗—離心和硫酸酸浸聯(lián)合工藝對化德硅藻土進(jìn)行提純加工，在最佳條件下硅藻土白度從64.5提高到 82.4，SiO2含量從78.57%提高到92.83%。孫林[23]首次將超聲預(yù)處理和水熱法與傳統(tǒng)的酸浸焙燒工藝相結(jié)合，研究了該方法對長白硅藻土進(jìn)行提純的最佳工藝條件。結(jié)果表明：純化后低品級硅藻土SiO2含量可由76.68%提升至94.95%，高品位硅藻土SiO2含量由83.03%提升至97.12%，回收率可達(dá)73.12%，同時比表面積也大幅度提升。

綜上所述，采用單一的方法，對低品級硅藻土提純，不是存在精土品質(zhì)低，就是存在成本高的問題。必須對原礦性質(zhì)進(jìn)行深入研究，開發(fā)符合原礦性質(zhì)的工藝，聯(lián)合不同方法，盡可能高效的開發(fā)低品級硅藻土。

4 結(jié)論和建議

(1)吉林白山低品級硅藻土資源豐富，但目前對低品級硅藻土資源利用不夠，不但造成硅藻土資源的浪費(fèi)，而且也給環(huán)境帶來了較大影響。

(2)低品級硅藻土資源可應(yīng)用于板材添加、農(nóng)業(yè)應(yīng)用以及瀝青改性等領(lǐng)域，但相對于大量的低品級硅藻土資源儲量來說，利用范圍較窄、利用量較小，不能解決低品級硅藻土資源開發(fā)利用的根本問題。

(3)低品級硅藻土的提純加工是低品級硅藻土身價增值和應(yīng)用領(lǐng)域拓寬的重要途徑，相關(guān)企業(yè)應(yīng)加大與高校和科研院所的合作，加強(qiáng)對提純方法和提純工藝的研究，降低提純加工成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，不斷拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。