（中國(guó)粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）針對(duì)重金屬污染治理與修復(fù)，吸附材料必須能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地吸附與固定重金屬離子，同時(shí)還應(yīng)具備吸附能力強(qiáng)、來(lái)源豐富、價(jià)格低廉等要求，而粘土礦物，尤其是硅藻土，很好地符合了這一要求，通過(guò)前期研究發(fā)現(xiàn)，硅藻土可以充分有效吸附重金屬離子，并可作為重金屬離子的穩(wěn)定載體。
硅藻土因其具有多孔性和巨大的比表面積，可以有效地吸附重金屬離子，是重金屬離子的穩(wěn)定載體，且價(jià)廉物美。但硅藻土原礦雜質(zhì)較多、理化結(jié)構(gòu)存在缺陷，這些因素極大地限制了硅藻土吸附性能的發(fā)揮，為了提高硅藻土吸附性能，有必要對(duì)硅藻土實(shí)施改性。
1 硅藻土理化特性研究現(xiàn)狀
硅藻土源自古代低等單細(xì)胞植物硅藻，硅藻是一種多孔殼單細(xì)胞植物，大量生長(zhǎng)于湖泊或海洋之中，有著規(guī)則排列的微孔結(jié)構(gòu)細(xì)胞壁，而這細(xì)胞壁正是硅藻細(xì)胞與水體交換營(yíng)養(yǎng)，進(jìn)行新陳代謝的通道。由于地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，地球水面逐漸減少，硅藻大量死亡，呈堆積狀態(tài)的硅藻遺體經(jīng)過(guò)初步成巖作用和長(zhǎng)期的地質(zhì)作用后形成了硅藻土礦床。礦床中蘊(yùn)含著大量的生物硅質(zhì)巖，這些硅質(zhì)巖含有大量微孔，被人們發(fā)現(xiàn)后逐步開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于防火材料、過(guò)濾材料和吸附材料。
1.1 化學(xué)特性
根據(jù)Blijanarov、Robertson 和楊宇翔等人的研究可知，硅藻土礦物成分為非晶質(zhì)態(tài)的蛋白石，與天然的二氧化硅膠凝體蛋白石不同，是一種有機(jī)成因的特殊礦物。硅藻土的主要化學(xué)成分是無(wú)定性的SiO2，除了SiO2 以外還含有少量的Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2、Na2O 等。根據(jù)相關(guān)研究，對(duì)國(guó)內(nèi)各地區(qū)硅藻土原礦的化學(xué)成分進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表1。
 由表1 可知，國(guó)內(nèi)硅藻土原礦中SiO2 含量一般在37. 60%～91.70% 之間，大部分在70% 以上，個(gè)別地區(qū)可以達(dá)到90% 以上。其中，吉林長(zhǎng)白、吉林撫松、四川米易、浙江嵊州等地的SiO2含量較高，均在80% 以上，硅藻土品質(zhì)較好，而吉林樺甸和云南騰沖SiO2含量較低，分別為37.67% 和49.00%，相對(duì)應(yīng)的燒失量也偏高，雜質(zhì)和水分含量多，硅藻土品質(zhì)較差。Al2O3 的含量一般在1.80% ～ 24.00% 之間，F(xiàn)e2O3 的含量一般在0.002% ～ 10.00% 之間，CaO 的含量一般在0.18% ～ 2.00% 之間，MgO 的含量一般在0.05%～2.30% 之間。
硅藻土主要化學(xué)成分為SiO2，所以具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，不溶于除氫氟酸外的任何強(qiáng)酸，但在強(qiáng)堿環(huán)境下不能穩(wěn)定存在。硅藻土所含的SiO2以非晶型為主，在強(qiáng)堿環(huán)境下，可溶性硅酸所占的比例可達(dá)50% ～ 80%。但當(dāng)硅藻土被加熱到800～1000 ℃時(shí)，所含SiO2 就會(huì)由非晶型向晶型轉(zhuǎn)變，在堿性環(huán)境下，可溶性硅酸所占的比例就會(huì)下降，一般可減少到20% ～30%。
從硅藻土的化學(xué)結(jié)構(gòu)可知，硅藻土呈弱酸性，是一種固體酸，能夠與堿發(fā)生反應(yīng)。硅藻土表面的多孔性與負(fù)電性使其呈現(xiàn)明顯表面吸附性。，硅藻土表面還存在有大量的硅羥基及氫鍵，這些硅羥基及氫鍵同時(shí)存在于硅藻土眾多的微孔之中，這些也是硅藻土具備吸附性能的重要原因。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。
 硅藻土的吸附性能與其表面及微孔所攜帶的羥基密切相關(guān)，吸附性能會(huì)隨著羥基數(shù)量的增多而提升，當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生改變時(shí)，特別是在高溫的情況下，這些羥基會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化，而這些轉(zhuǎn)化對(duì)硅藻土的吸附性能會(huì)產(chǎn)生重要影響。硅藻土所攜帶的羥基還表現(xiàn)出一定的活性，這些具有一定活性的羥基使得硅藻土表面能夠結(jié)合或接枝一些官能團(tuán)，進(jìn)而導(dǎo)致硅藻土的吸附性能發(fā)生改變，這一特性使硅藻土通過(guò)實(shí)施化學(xué)改性提高吸附性能成為可能。
部分羥基由于水解作用而失去氫離子，這使得硅藻土表面在液/ 固體系中呈現(xiàn)一定的負(fù)電性， pH 值對(duì)硅藻土表面負(fù)電性有較大影響，一般說(shuō)來(lái)，在pH 值小于3 的情況下，表面羥基被嚴(yán)重質(zhì)子化，硅藻土表面喪失負(fù)電性。同時(shí)有研究表明，接枝官能團(tuán)可改變硅藻土表面等電點(diǎn)。
1.2 物理特性
天然硅藻土?xí)尸F(xiàn)灰、白、黃、綠甚至黑色，原因在于天然硅藻土往往含有鐵氧化物或者有機(jī)質(zhì)等雜質(zhì)，而經(jīng)過(guò)提純的硅藻土多為白色。硅藻土因成巖之前硅藻的形態(tài)各異而呈現(xiàn)出不同的微觀形貌，一般呈現(xiàn)圓篩狀、帶狀和圓柱狀（如圖2所示）。大部分硅藻土質(zhì)地較輕、具有大量微孔、容易破碎，但其硅藻骨骼微粒的硬度很大。根據(jù)相關(guān)研究，對(duì)國(guó)產(chǎn)硅藻土的堆密度、比表面積、孔體積以及孔徑分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。
 通過(guò)表2 可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)產(chǎn)硅藻土的堆密度通常為0.3～0.6 g/cm3， 另?yè)?jù)有關(guān)研究，國(guó)產(chǎn)硅藻土的常規(guī)密度為0.4～0.9 g/cm3，密度很小，能浮于水面?？装霃椒秶鸀?0～3000 nm，孔體積范圍為0.45 ～ 0.98 cm3/g，比表面積范圍為33 ～65 m2/g，焙燒、酸洗等改性處理有助于比表面積的提高和孔體積的增大。硅藻土的物理特性在一定程度上決定著其吸附性能，一般來(lái)說(shuō)，吸附量隨著比表面積的增大而增大；吸附質(zhì)在孔內(nèi)的擴(kuò)散速率隨著孔徑的增大而加快，而擴(kuò)散速率的加快有利于吸附達(dá)到平衡。但在孔體積一定的情況下，比表面積與孔徑呈反比，孔徑越大，比表面積越低，進(jìn)而導(dǎo)致平衡吸附量下降；當(dāng)孔徑一定時(shí)，孔容的增大有利于吸附量的提高。
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