孟晓敏，尚 尉

（东北电力大学 化学工程学院，吉林 吉林 132012）

表面改性硅藻土的制备

孟晓敏，尚 尉

（东北电力大学 化学工程学院，吉林 吉林 132012）

采用表面改性的方法对硅藻土进行改性，研究了经改性后的硅藻土微观特征变化、Zeta电位、粒径和抗剪切性能的变化。采用扫描电子显微镜、Zeta电位分析仪、粒度分析仪对改性硅藻土进行表征。结果表明：硅藻土经改性后，硅藻土Zeta电位提高，硅藻土颗粒粒径增大；同时，改性硅藻土抗剪切性能较好，改性硅藻土悬浮液经高速搅拌后，粒径下降较少。

硅藻土；表面改性；表征

硅藻土是由硅藻及其他微生物的硅质遗骸组成的生物硅质，具有许多不同的形状（圆盘状、针状、直链状和羽状等）；硅藻土由于杂质含量的不同，所以通常呈现出不同的颜色，如：白色、灰色、灰褐色或棕褐色等。硅藻土化学组成以二氧化硅为主，并含有少量的Al2O3、Fe2O3、CaO、Na2O和MgO等[1-3]。这些杂质夹杂在硅藻壳孔隙中，或附着在壳表面，硅藻土粒径微小，一般为几微米到几十微米[4]。此外，硅藻土还具有质轻、多孔、相对密度小等特点[5-6]。纯净干燥的硅藻土密度仅为0.40～0.9 g/cm3时，孔径分布范围大，空隙率高，具有很高的吸附能力，对声、热、电的传导性能极差，所以硅藻土具有强吸附、隔音和隔热的特性[7-8]。其化学稳定性高，除溶于氢氟酸外，不溶于任何强酸，易溶于碱。

我国己在14个省、自治区发现硅藻土矿70余处，探明储量3.2亿t，远景储量20亿t。据吉林省国土资源厅资料显示，吉林省硅藻土资源丰富，查明资源储量居全国首位，开发利用前景广阔。硅藻土价格低廉、资源丰富[9-10]，因此，对它的开发利用可谓方兴未艾。独特的硅藻壳体结构决定了它被广泛应用于许多工业领域，在国民经济发展中起着重要的作用。目前，硅藻土主要被用作助滤剂、催化剂载体、功能填料、肥料载体和农药、保温隔热材料、吸附剂以及漂白材料等。自20世纪90年代以来，国内广大科研工作者对硅藻土开发利用进行了大量的相关研究工作，其中，开展了一系列对各种废水处理的基础应用研究工作；在其他方面，也进行了较多的研究工作，并取得了较好的效果[11-13]，但与国外较为成熟的硅藻土开发应用技术相比，仍然有较大差距。存在的主要问题是硅藻土产品档次低，品种少，比较单一；尤其是高附加值的硅藻土产品较少，特别是如何以硅藻土为原料，采用合理的方法制备高附加值的功能材料，这方面的研究更显不足，许多优质的硅藻土，只是作为原料出口或出售，造成大量硅藻土矿产资源浪费，没有充分合理地利用硅藻土资源优势，使其变成经济优势，不符合科学发展的要求。因此，需要加大提高对硅藻土的开发和利用水平。

本文通过对硅藻土表面改性，研究、探索、利用丰富廉价的硅藻土矿物资源，制备改性硅藻土，并研究硅藻土经改性后，其微观特征变化、Zeta电位、粒径和抗剪切性能的变化。采用扫描电子显微镜、Zeta电位分析仪、粒度分析仪对改性硅藻土进行表征。通过对改性硅藻土性质的分析研究，对硅藻土应用提供理论指导，拓宽硅藻土产品的使用领域。

1 实验

1.1 原料及仪器

硅藻土，临江硅藻土公司；碳酸钠、氢氧化钠，分析纯，上海国药化学试剂有限公司。

扫描电子显微镜（SEM），Zeta电位分析仪，OMEC LS-POP激光粒度分析仪，数显恒温磁力搅拌器，恒温水浴锅，数显恒速搅拌器，恒温水浴振荡器。

1.2 实验方法

表面改性硅藻土的制备：在烧杯中加入一定量和一定浓度的Na2CO3溶液，一边搅拌，一边放入一定比例的硅藻土，然后再将饱和氯化钙溶液缓慢滴加到烧杯中，同时不断地进行搅拌，待改性反应充分完成后，再进行过滤，将滤渣在温度105℃条件下干燥，再将其研磨过65目筛，筛下土即为改性硅藻土，保存备用。

1.3 分析测试

1.3.1 改性硅藻土的表征

利用扫描电子显微镜观察改性硅藻土的颗粒形貌特征，所有样品均进行镀金处理。采用激光粒度分析仪测定改性硅藻土的粒径。采用Zeta电位分析仪检测改性硅藻土的Zeta电位。

1.3.2 抗剪切性能测定

称取一定质量硅藻土，将其放入1 000 mL烧杯中，配成质量分数为2%左右的悬浮液。然后将该悬浮液分别以1 000 r/min和2 000 r/min转速搅拌，搅拌过程中，每隔10 min取1次样，进行颗粒粒径检测，观察粒径变化。

2 结果与讨论

2.1 改性硅藻土的颗粒形态

为研究改性硅藻土表面形态变化，通过扫描电子显微镜观察硅藻土改性前、后其颗粒的微观形貌特征，如图1所示。

图1 硅藻土改性前、后SEM照片

从图1可以看出：未改性硅藻土大部分呈圆盘状，其中还混杂一些小碎片，圆盘内部有许多孔状结构；硅藻土经过碳酸钙改性后，硅藻土颗粒表面和孔状结构中生成了许多碳酸钙颗粒，表明碳酸钙已经较好地附着在硅藻土表面和微孔中，而且由于碳酸钙的生成，使得硅藻土多了许多微孔结构，这为改性硅藻土的应用打下了良好的基础。

2.2 改性硅藻土的Zeta电位

研究了碳酸钠浓度对改性硅藻土Zeta电位的影响，并与未改性硅藻土进行对比，结果如表1所示。

表1 不同碳酸钠浓度的改性硅藻土Zeta电位

从表1可以看出：改性硅藻土的Zeta电位随碳酸钠浓度的增加而升高。当碳酸钠量浓度由0.3 mol/L增加至0.5 mol/L时，改性硅藻土Zeta电位由-10.33 mV提高至-7.53 mV；再继续增加碳酸钠浓度，改性硅藻土Zeta电位略有下降。可见，采用碳酸钠和氯化钙制备改性硅藻土，可有效提高硅藻土Zeta电位，这主要是由于改性硅藻土表面结合了碳酸钙，所以改性硅藻土Zeta电位比未改性硅藻土的高很多。这也为改性硅藻土在造纸及废水处理领域中的应用创造了有利条件，例如改性硅藻土的Zeta电位越高，越有利于其留着。

2.3 改性硅藻土的粒径

为了研究改性过程对硅藻土粒径的影响，通过激光粒度分析仪测定改性硅藻土和未改性硅藻土粒径，结果如表2所示。

表2 不同碳酸钠浓度的改性硅藻土粒径

从表2可以看出，改性硅藻土的粒径随碳酸钠浓度的增加而略有增加。粒径的增加有利于提高其使用性能，如在制浆造纸应用中，粒径变大，可以有效提高硅藻土与纤维之间的接触机会，提高硅藻土留着率，同时有利于改善纸张的物理性能。

2.4 改性硅藻土的抗剪切性

抗剪切能力对于改性硅藻土应用是比较重要的，影响其使用性能，改性硅藻土的粒径主要取决于淀粉-脂肪酸-硅藻土复合物形成过程中施加的剪切力。不同搅拌速度下改性硅藻土粒径随搅拌时间的变化情况如图2所示。实验条件：前60 min以1 000 r/min速度搅拌，后60 min以2 000 r/min速度搅拌；碳酸钠量浓度为0.5 mol/L；原硅藻土粒径为4.8 μm。

图2 改性硅藻土粒径的变化

从图2可以看出：在前60 min，当机械搅拌速度为1 000 r/min时，改性硅藻土和未改性硅藻土颗粒粒径都没有较大变化，而从60 min以后，当把搅拌速度提高为2 000 r/min时，随着机械搅拌时间的增加，改性硅藻土颗粒粒径不断变小，但粒径减小幅度较小；而未改性硅藻土颗粒粒径，仍然没有明显变化。硅藻土颗粒粒径变化情况表明，改性硅藻土有较好的抗剪切能力，大部分在硅藻土表面原位生成的碳酸钙不会因为搅拌、混合和泵送等作用而脱落。

3 结论

本研究通过对硅藻土表面改性得到了改性硅藻土，并对不同搅拌速度下改性硅藻土粒径的变化进行了分析，研究发现表面改性硅藻土有较好的抗剪切能力；改性后硅藻土的粒径变大，同时，Zeta电位升高，这为扩大改性硅藻土的应用范围打下了良好的基础，如用在制浆造纸当中，能够使纤维之间有更多的接触机会，同时能够使纤维有更牢固的结合，提高改性硅藻土的留着率。

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Preparation and Characterization of Surface Modified Diatomite

MENG Xiao-min，SHANG Wei
（College of Chemistry Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China）

The diatomite was modified using the method of surface modification.The change of the diatomite’s microstructure characteristics，Zeta potential，particle size and shear resistance were studied after modification.The morphology，particle size，and zeta potential of the modified diatomite were determined with scanning electron microscopy，particle size analyzer and Zeta potential analyzer，respectively.The results indicated that the Zeta potential and particle size of the modified diatomite were increased.At the same time，the modified diatomite suspension has less drop in particle size after high speed stirring，it revealed that the modified diatomite has good shear resistance.

diatomite；surface modification；characterization

TQ424.22

A

1007-2225（2016）06-0017-03

孟晓敏女士（1963-），副教授；主要从事化学工程与工艺的研究；E-mail：mxm.2008@aliyun.com。

2016-09-27（修回）

吉林省科技发展计划项目（20140204040GX）资助

本文文献格式：孟晓敏，尚尉．表面改性硅藻土的制备[J]．造纸化学品，2016，28（6）：17-19．