刘玉芹

（中国非金属矿工业有限公司，北京 100142）

【开发利用】

天然非金属矿物的过滤性能及其应用

刘玉芹

（中国非金属矿工业有限公司，北京 100142）

本文介绍了几种天然非金属矿物的过滤性能，对当前非金属矿在过滤行业的应用进行了阐述，并分析了未来非金属矿物材料在过滤材料应用中的发展趋势。

过滤；硅藻土；珍珠岩；活性白土；沸石；玄武岩

1 引言

非金属矿物是人类赖以生存和发展的重要物质基础，广泛应用于石油、化工、建筑、环保、机械、地质、农业和医药等诸多领域[1]。近年来，随着对非金属矿物的化学成分、物理性质、表面活性、晶体结构、超细效应及其改性技术等方面的研究不断深入，非金属矿物在处理工业废水、大气净化、生态建材、过滤脱色等方面的应用取得了显著的进展。我国矿产资源丰富，许多非金属矿物(如膨润土、硅藻土、珍珠岩等)因其特有的成分及结构特征而具有良好的吸附、离子交换以及过滤等性能，且储量大、价格低、对环境无污染，是一类环境友好、很有发展前景的优质廉价过滤吸附材料。本文列举了几种典型的非金属矿物，对其过滤性能及其应用进行了讨论和分析。

2 过滤性能及其应用现状

2.1 硅藻土

硅藻土是古代单细胞低等生物硅藻遗骸堆积后，在一定的地质条件下经过成岩作用而形成的一种具有多孔性的生物沉积岩[2]。其化学成分以SiO2为主，矿物成分为蛋白石及其变种。硅藻土种类繁多，形态各异，有圆盘状、椭圆状、筛管状、舟状、棒状等。因其具有细腻、松散、质轻、多孔、比表面积大、吸水性和渗透性强、白度高、吸附性能强等特征，且安全无毒，化学稳定性好，被广泛应用于石油、化工、建材、食品、环保等许多领域。

目前，硅藻土因其表面的孔结构而被广泛用作助滤剂，主要是过滤吸附液体中的固体颗粒、悬浮颗粒、胶体、粒子细菌等，起到滤净和净化液体的作用，己经被广泛用于酿造、医药、油脂工业、涂料和染料、污水处理和废气过滤。绝大多数大中型啤酒厂在生产过程中都采用硅藻土过滤[3]，在啤酒和饮料生产中被广泛地应用，如在酿酒过程中使用硅藻土过滤可以不断更新滤床，过滤速度快，产量大； 表面积大，吸附能力强，能滤除0.1～1.0μm的微粒，降低酒损1.4%左右，改善生产操作条件。陈尧等[4]使用硅藻土助滤剂解决头孢菌素C发酵液直接过滤滤速慢、澄清度差、收率低的问题，根据试验推断中、细粒度助滤剂搭配使用应能在保证滤速的前提下提高透光率，满足生产要求。朱红卫[5]提出硅藻土过滤器能更好的提高游泳池循环水处理出水水质，并能够在游泳池运行管理中节水、节电。硅藻土在食用油、医药口服液等方面也得到广泛的应用。任华峰等[6]对硅藻土助滤剂及硅藻土预涂膜过滤技术在海水净化中的应用进行了初步研究，通过实验室规模的硅藻土预涂膜过滤装置，确定了运行条件和工艺参数，为硅藻土预涂膜过滤技术应用于游泳、娱乐海水的循环净化奠定了基础；谭彩菊等[7]将硅藻土助滤剂应用在精糖的生产，明显降低了糖液的浊度，产品质量优于国家的质量指标要求，成本低廉，经济效益显著；另外，硅藻土助滤剂己被广泛应用于茶籽油、酱油、食醋等的过滤[8-10]。

2.2 膨胀珍珠岩

珍珠岩是一种具有珍珠结构的酸性玻璃质火山熔岩。珍珠岩微粒经高温煅烧处理，岩石中的结晶水蒸发，珍珠岩以原体积15～20倍比例急剧膨胀，于是形成大量含闭口和开口的膨胀珍珠岩，再经过研磨和风选后，便形成具有特殊性能的珍珠岩助滤剂。它的颗粒体堆聚以后形成一种不压缩的饼状体，其空间体积占80%～90%，换句话说，这种物质组成的滤床中有80%～90%是空气。利用其筛分效应和深层效应，通过其间可使液体得到过滤，过滤过程中大颗粒物质直接被截留在滤层表面，较小的颗粒物质则被珍珠岩所形成的曲折通径和其本身表面的吸附作用所截留。

珍珠岩助滤剂在各类液体饮料的过滤、食品过滤、油类过滤、水过滤、药物过滤、化工物质过滤、贵重金属的回收等领域均得到很好的应用。饶凤山等[11]对比了硅藻土和珍珠岩助滤剂，发现无论从过滤速度，还是从透光率来进行比较，珍珠岩助滤剂的过滤性能均优于硅藻土，珍珠岩助滤剂所形成的滤饼干燥、容易剥离，滤饼含水量低操作方便，市场价格低于硅藻土，且能提高产品质量，降低生产成本，具有较好的应用价值，是一种理想的助滤剂。颜景斌等[12]采用珍珠岩助滤剂成功的运用于林可霉素发酵液的过滤。此项应用有效地避开了发酵液直接板框过滤的不利因素，提高了过滤效率和滤液质量，特别是提高了成品质量，使成品灰分降低了50%。珍珠岩助滤剂在国内是20世纪80年代中期开始发展的一种新型过滤材料，与市场上同类产品相比，除具备传统助滤材料的澄清过滤和吸附回收等功能外，还具有容重小、色白、多孔、流动速率大和价格低廉等突出优点[13]。因此，日益受到工业界和用户的关注，市场前景广阔。

2.3 活性白土/颗粒白土

活性白土是膨润土经硫酸活化处理而得，而膨润土的主要矿物成分为蒙脱石，所以蒙脱石的结构特性决定了活性白土的基本性能。在酸化处理时，晶格结构中的杂质和离子交换形成了微孔网格结构，比表面积增大，增加了吸附能力和离子交换能力。活性白土因脱色效率高，吸附能力强，比表面积大，活性度低，因而在吸附和脱色方向具有良好的应用前景，已经被广泛应用于食用油脱色、化工产品精制等领域[14]。

目前活性白土被广泛用于各类植物油、动物油和矿物油的脱色精制。不管是动物油脂还是植物油，未经提炼过的都含有许多杂质、色素等有害物质。在其加工处理过程中，通常使用强吸附剂来吸附去除初炼油中的有害物质，它可除去油中的色素、过氧化物、微量金属、残皂和磷脂等，并可防止成品油的回色[15]。食品安全国家标准GB25571-2011《食品添加剂活性白土》中给出了活性白土的理化指标要求，活性白土对油脂的脱色效果除受活性白土的质量影响外，还受脱色温度、脱色压力、搅拌强度、脱色时间以及油品种和质量的影响。

在化工产品的精制过程中，利用活性白土来去除其中杂质。化工产品如润滑油、固体石蜡、乙醇、硫磺等，在化学反应常伴随着副反应，也有杂质生成，它们的存在影响产物的性能，精制是必须的一道工序。在精制化工产品过程中，主要是利用活性白土的强吸附性能除去杂质，吸附一般为物理吸附，但也有可能伴有化学吸附。活性白土因为离子交换带负电荷，可以除去产物中的阳离子，且不与化学物质发生反应，所以活性白土是一种理想的化工产品精制吸附剂。

2.4 沸石

沸石是沸石族矿物的总称，是一种含水的碱金属或碱土金属的铝硅酸矿物，是当今世界各国十分重视的新兴矿产资源。沸石具有开放式的结构，晶格内部有很多大小均一的孔穴和通道，在孔穴和通道中存在许多沸石水，当水分子被除去后，就形成了一个个内表面很大的孔穴，孔穴通过开口的通道彼此相连，使得沸石的表面积巨大，可达400～800m2/g，具有良好的吸附性能。沸石表面还具有很大的色散力和较大的静电力，故其吸附力特别强大。孙迎雪等[16]采用经活化后的天然沸石吸附剂代替传统砂滤池中的砂滤料，使滤池除具有过滤去除水中浊度的作用，同时还可去除水中有毒的重金属离子和部分溶解性的有机物；王恒等[17]将PAC混凝沉淀与沸石床过滤相结合的方式来处理服务区的污水，与传统铝盐类和铁盐类混凝剂相比，其投加量更低，而混凝效果更好，适用范围更广，沉渣量也更小。

2.5 玻璃纤维

玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，它是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的。玻璃纤维由于耐温性高、耐腐蚀、表面光滑、粉尘剥离性和尺寸稳定性好，广泛应用于水泥工业窑头窑尾、钢铁工业高炉煤气、电力行业燃煤锅炉及冶金、石油、垃圾焚烧等工业生产的烟尘治理。其能有效捕集粉尘、过滤烟气，对节能降耗、环境保护具有重大意义。

作为一种传统的过滤材料，玻璃纤维用于多种过滤器材，像家用滤尘器、呼吸器，以及HVAC(供暖、空调及通风)、HEPA(高效粒子过滤)和ULPA(超高效过滤)中的滤袋。依据制造工艺和工艺参数的不同，玻璃纤维具有从亚微米到30μm的直径范围。目前，国内市场上主要使用的玻璃纤维过滤材料有平幅布、膨体布、针刺毡三大系列。玻璃纤维针刺毡过滤材料是20世纪80年代研究开发的新型高温高效玻纤滤料，是一种结构合理、性能优良的新型高温滤料，不仅具有玻璃纤维织物滤料耐高温、耐腐蚀、尺寸稳定、强度高的特点，而且由于毡层纤维呈三维微孔结构，空隙率高，对气体的过滤阻力小，是一种高气布比的高温过滤材料[18]。玻璃纤维过滤材料可根据使用情况对其进行表面处理，经过表面处理后的玻纤滤料，分别或综合具有了耐折、耐磨、憎水、憎油、抗结露、耐酸等性能。

2.6 玄武岩纤维

玄武岩是一种以SiO2、Al2O3为主要成分的矿物，20世纪80年代前苏联通过研究把玄武岩制成了连续纤维并逐渐应用开来。玄武岩的矿物组成和结构特征决定了玄武岩纤维在耐高温性、化学稳定性、耐腐蚀性、力学性能等许多方面具有优良的特性。

在高温烟气过滤方面[19]，玄武岩纤维具有其他材料无法比拟的优势。玄武岩纤维的使用温度范围为-269～700℃，最高使用温度在860～900℃，具有突出的耐温性能。还有稳定的化学性能和耐水性。玄武岩纤维中含有近20%的导电氧化物，在生产中可以减少静电的产生。研究表明，玄武岩在耐高温过滤材料、耐酸碱过滤材料、抗静电过滤材料方面具有广泛的应用前景[20]。

3 过滤材料的应用前景及趋势

随着科学技术和工业的不断发展，非金属矿的加工水平逐渐提高，对非金属矿物的利用也逐渐向着高纯化、功能化、精细化发展，非金属矿在国民经济中的重要地位逐渐凸显出来。在过滤材料领域，由于其特殊的结构和性能，加之具有天然矿物的稳定性、耐受性，储量丰富，价格低廉，使其具有合成过滤材料所无法比拟的优势。近年来，国际上对过滤材料的研究呈现蓬勃发展之势，对过滤材料也提出了越来越高的要求，非金属矿可以在很大程度上满足这些新要求。今后，非金属矿过滤材料的发展趋势体现在如下几方面：

(1) 高效高性能非金属矿过滤材料。

当前，过滤材料领域现有的过滤材料已经无法满足实际应用要求，急需新的高性能的过滤材料。因此，开发高效高性能的过滤材料如具有良好的化学稳定性、耐腐蚀性、耐高温、耐水性、耐酸碱、抗静电、阻燃、防霉等性能，将是未来对过滤材料提出的新要求，非金属矿物过滤材料因其特有的成分及结构特征可以很好的满足以上要求。

(2) 非金属矿物吸附过滤材料。

随着人们环保意识的逐渐提高，对过滤材料提出了吸附除杂的新要求。如在水处理过程中，过滤材料可以去除水中有形的杂质，但重金属以及其他有害离子则可以通过非金属矿物的吸附性能予以去除，在吸附方面非金属矿如膨润土、硅藻土、沸石的表现尤其突出。

(3) 复合非金属矿过滤材料。

为获得更好的过滤效果，可根据不同矿物材料的结构特点或性能，把几种矿物材料复配制备高效、经济的复合矿物过滤材料。例如，硅藻土和珍珠岩助滤剂单独使用都存在一定的不足之处，但将二者适当配合使用，可达到取长补短、改善产品性能的目的。另外，纤维类的过滤材料也可复合使用，如玻璃纤维与涤纶复合滤料，可兼具玻璃纤维滤料的耐高温、耐腐蚀、高强度、低阻力，以及涤纶的耐折、耐磨性好等优点。可见，复合非金属矿助滤剂也将是过滤材料未来发展的一个趋势。

(4) 改性非金属矿物过滤材料。

天然非金属矿物在其过滤性能方面可能存在一定的缺点，但通过改性和表面处理可以极大的提高其过滤性能，如对珍珠岩进行膨化处理，对硅藻土进行煅烧处理，对膨润土进行酸化处理，都是在矿物原有的结构基础上，进一步完善其孔道结构，使其具有更好的过滤性能。

4 结语

随着国家对节能减排、绿色环保的要求不断提高，过滤材料的重要性也逐渐凸现出来，但现有的过滤材料已经无法满足实际应用要求，急需新的高性能的过滤材料。非金属矿物具有吸附容量大、储量丰富、价格低廉、对环境无毒无害等优点，被广泛应用于各行各业，其在过滤领域也发挥着举足轻重的作用。随着科学技术的大力发展，基于非金属矿物超纯、超细和功能化等研究的不断深入，其在过滤领域将具有广阔的应用前景。

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Filtration Performance of Natural Non-metallic Minerals and Its Application

LIU Yu-qin
(China National Non-metallic Minerals Industry Co., Ltd., Beijing 100142, China)

This paper discussed filtration performance of several non-metallic minerals, stated its present application in filtration industry of non-metallic minerals, and analyzed the future development tendency of filtration used non-metallic minerals.

filtration; diatomite; perlite; active clay; zeolite; basalt

TB32；TQ028.7

A

1007-9386(2014)05-0012-03

2014-06-13