硅藻土的理化特性及其在造纸领域的应用

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近年国内硅藻土的提纯加工技术有了长足进步, 主要加工方法分为干式粉碎 分级提纯法、湿式擦洗 分级法、酸洗提 纯法、煅烧法。根据加工方 法的不 同, 市售商品可分为天然干燥品、酸洗提纯品、煅烧 品和助熔煅烧品 4类。不同加工方法的产品除白度、 粒度分布、纯度 有较大差别外, 更重要的是 孔的分 布, 包括孔径和孔体积都有明显变化, 以致产品的比 表面积、吸油吸水值、散光系数、吸附性等物理特性 也有很大不 同。一般来说, 天然 干燥品 ( 包 括干法 分级和湿法擦洗分级产品 ) 的自然白度较低 ( 通常 < 70% ) , 孔径和孔体积小, 但比表面积较大。煅烧 可有效提升硅藻土产品白度、孔径和孔体积, 但会相 应降低比表面积, 煅烧温度越高比表面积下降幅度越 大。煅烧温度 通常在 500~ 900 , 1000 以上的温 度将使硅藻土的非晶质 S iO2 向晶质 S iO2 转化, 演变 成方石 英。 助熔 煅烧 品 是在 硅 藻土 煅 烧 过程 添 加 N aC 、l 碱及碱土类氧化物或硼砂、硫氰酸钠、硝酸钠 等助熔剂 而制成 的, 可 获得更 高的白 度 ( & 90% ) 和最大的孔径和孔体积。
1 硅藻土的理化特性
硅藻土的主要化学成 分是 S iO2, 化学式 S iO2 nH 2 O[ 1 ] 。硅藻土中的 SiO2 (非晶质硅 ) 在结构和成 分上与石英矿物和其他岩石矿物中的 S iO2 ( 晶质硅 ) 有本质区别, 是含有与之紧密伴生的其他组分的一种 独特类型的氧化硅, 称为硅藻质氧化硅。
因此, 硅藻土在不同工业领域的使用上, 应根据 应用目的不同选择, 在考虑硅藻土的类型和形态的同 时, 还应考虑不同制造方法的产品对应用方面可能带 来的负面影响。
!中国造纸 ∀ 2010年第 29卷第 8期
硅藻土有良好的分散性, 能与纤维有机地结合。 在造纸领域应用的主要意义在于充分利用其特殊的分 子结构特性制造功能特性纸张。硅藻土具有的孔隙度 大、吸附性强、容重小、隔热吸音、化学性能稳定、 无毒等特性, 可满足不同性能要求纸品的高遮盖性、 松厚度、透气性、挺度、抗张强度、油墨吸收性、尺 寸稳定性、吸附性、吸油吸水性、保温隔热性、阻燃 性等方面的技术要求。因此作为功能性造纸填料或涂 料颜料可广泛用于文化印刷纸、特种工业用 纸和纸 板、生活用纸的制造, 如生产液体饮料、制糖、酿酒 业过滤纸和纸板, 食品保鲜包装纸, 冰箱除臭纸, 香 精纸, 香烟过滤嘴纸, 高吸水性生活用纸, 美容擦拭 纸, 建筑装饰纸和纸板, 蓄电池隔板, 阻燃纸, 物垫 纸, 宠物垫纸, 抛光纸, 油封纸, 育果育苗纸和用于 废水净化剂、助凝剂, 废纸浮选脱墨剂, 消光涂料颜 料等。 4 1 填料
பைடு நூலகம்
在, 这些 # OH 基团是使硅藻土具有表面活性、吸附 性和酸性的本质原 因 [ 2] 。硅藻土 本身无毒, 不含有 害化学物质, 是一种具有发展潜力的绿色环保材料。
自然界中硅藻粒子的形貌千姿百态, 多达上 万种, 国内已发现证实的有上千种。按硅藻壳壁 形状和结 构, 可分 为辐射硅藻 (圆形、椭圆形、 三角形藻瓣等, 呈放射状结构、同心排列 ) 和羽 纹硅藻 ( 形状复杂, 披针状、线状 S 形等 ) 两大 类 [ 3] 。硅藻土 的类型 和 形 态, 孔 径 和孔 隙 率 的大 小是决定 其工业应用领域和 工业价 值的重 要因素 。 图 1展示了几种国产硅藻土的粒子形貌和孔隙结 构特征。
我国现有硅藻土生产矿山和群采
点 200余处, 但一般规模较 小,
原矿年均生产能力 40万 t左右,
占世界 总产 量的 19% 。年产 硅
藻土万吨以上的地区主要有: 吉 林长白、梅河口、临江; 云南腾
冲、昆明; 浙江嵊州和内蒙古化
德等。硅 藻土 制 品生 产 能力 为
30余万 ,t 矿山企业的生产主要 集中在吉林、云南、浙江和内蒙
硅藻土是全球分布广泛、资源较丰富的非金属矿 种之一。主要国家和地区有美国、中国、俄罗斯、捷 克和秘鲁等 [ 4] 。美国探明储量 2 5亿 ,t 基础储量 5
销量居世界之首。丹麦是欧洲硅藻土生产的主要 国 家之一, 以生产一种具有特殊性能的黏土质硅藻土 而闻名, 矿床位于日德兰半岛北部和莫斯岛及富
尔岛。
等 ) , 有时还含有白云石、云母、角门石、辉石、金 红石、锆石等。因而, 常根据硅藻原土中的硅藻壳体 和伴生矿物的比率及原土的化学组分 ( SiO2、 A l2 O3、 F e2O3、 CaO、 M gO 等 ) 对硅藻 土进 行命名 和分 类。 杂质含量低的原土通常呈白色或灰白色, 杂质含量较 高时呈浅黄、灰绿、灰褐或棕褐至黑色。硅藻土微粒 的硬度为 4 5~ 5 0, 折射率为 1 4~ 1 6。硅藻土的 密度视杂质含 量而 定, 纯 净 干 燥 的 原 土 密 度 仅 有 0 4~ 0 9 g / cm3, 能浮于水面; 固 结成 岩含 杂质 高 的原 土密 度 1 9 ~ 2 3 g / cm3; 其 堆 积 密度 通 常 为 0 2~ 0 8 g / cm3。硅 藻土 650 时的 烧失 量一般 在 10% 以下, 高烧失量的硅藻原土可高达 30% ; 熔点 为 1650 ~ 1750 。硅 藻 土 易 溶 于 强 碱 和 氢 氟 酸, N aOH 可溶物 40% ~ 75% , HC l可溶物 3 0% ~ 6 0% 。 硅藻壳体有许多贯通的微孔, 孔径 7 ~ 160 nm, 孔体 积分布 范围 0 4 ~ 1 4 cm3 / g, 孔 隙率 65% ~ 92% , 是少有的高孔隙率天然纳米微孔材料。硅藻土超微细
我国截至 2006 年, 硅藻 土 探明储 量的矿区有 61处 [ 6] , 储 量 8283 万 ,t 基础储量 1 24 亿
,t 居世界第二位。以吉林最多,
占全国 储量 60% 以上, 其次 为
浙江、 内 蒙、云 南、 四 川、 河
北、山 东、 广 东、福 建、 黑 龙
江、海南、江 西、西藏等地 区。
我国硅藻土资源丰富, 但传统用途单一, 主要局 限于助滤剂产品。近年相关行业为实现硅藻土资源的 有效合理利用, 在特种纸张填料、制浆造纸树脂和黏 性物控制剂、废水处理剂方面已取得阶段性成果。充 分利用硅藻土自身具有的功能特性拓展其在造纸领域 的应用, 开发硅藻土造纸专用产品和应用技术对造纸 工业和非金属矿加工业具有重要意义。
A bstrac t: The phy sico chem ica l properties, ca tego ry, resou rce distr ibution, m a jor industr ia l utilization and m anu facture o f diatom aceous ea rth, as w ell as its app lication as paper filler, coating pigm en t, specialty paper filler and coating p igm ent, resin contro l agents, w aste wa ter treatment agents are overv iew ed in this pape r. T he authors suggest tak ing advantage o f the abundant d ia tom ite resources to expand its applica tion in pape rmak ing. K ey wo rds: d iatom aceous earth; physico chem ica l properties; paperm ak ing
硅藻土主要由蛋白石及其变种组成, 不同于一般 成因的蛋白石, 为硅藻蛋白石。它是由远古地球早期 的单细胞生物硅藻死亡以后的硅酸盐遗骸演变而成的 化石产 物, 常 含有 黏土 类矿 物 ( 高岭 石、 水云 母、 蒙脱石 等 ) 和 碎 屑类 矿 物 ( 石 英、 长石、碳 酸 盐
!中国造纸 ∀ 2010年第 29卷第 8期
2 硅藻土资源分布、储量及特点
利福尼亚州的罗姆波克矿床、我国吉林省长白县的马
鞍山矿床和西大坡矿床, 这 3处矿床的一级品原土的 非晶质 S iO 2 都在 80% 以上, 为世界罕见的优质硅藻 土矿床。
目前 世 界 上 有 30 多 个 国 家 生 产 硅 藻 土 [ 5 ] , 2006年总产量 216万 t。美国 是硅藻土 的主要生 产 国、消费国和出口国, 约占世界总产量的 37% , 丹 麦占 11% , 日本占 6% , 俄 罗斯、法国和墨西哥 各 占 3% 。美国 4个州共有 11处 矿山和 9 处加 工厂, 2006年产量为 79 9万 ,t 主要的生产厂商包括: 赛 力特 ( C elite) 公 司 ( Im erys集 团 的 子 公 司 ) 、 EP M inera ls有限公司 ( E ag leP icher公司的子公司 ) 。赛 力特公司拥 有世界 上最大 的硅 藻土矿 床和加 工厂, ∃ C e lite% 牌硅藻土系 列产品涵盖所有工业 领域, 产
D iatom aceous Earth s Physico ch em ical Prop erties and App lication in Paperm ak ing
SUN D e wen* SONG B ao x iang
( China N ational Pu lp and Pap er Research Institu te, B eijing, 100020) (* E m a i:l sundew en_cad@ 126. com )
造, 以及硅藻土在造纸填料、涂料颜料、树脂控制剂、废水 处理剂等 方面的开 发应用现 状。指出充
分利用我国丰富的优质硅藻土资源, 拓展硅藻土在造纸领域的应用具有重要意义。
关键词: 硅藻土; 理化特性; 造纸
中图分类号: TS727
文献标识码: A
文章编号: 0254 508X ( 2010 ) 08 0065 07
收稿日期: 2010 03 31 (修改稿 )
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专题论坛
孔的量比木炭还要多 5000 ~ 6000 倍, 具有极强的吸 亿 ,t 占世界第一位, 硅藻土生产集中在加利弗尼亚、
附 能 力 和 释 放 负 离 子 的 特 性。 硅 藻 土 平 均 粒 径 内华 达、 俄勒 冈 及 华盛 顿 等 西部 各 州。 其他 国 家
硅藻土的特殊结构构造, 以及由此带来的孔隙度 大、吸附性强、容重小、熔点高、阻燃隔热、吸音、 化学性能稳定等特殊的性能, 被广泛应用于轻工、化 工、建材、石油、医药卫生、核废料和污水处理、日 用化工等许多 领域, 如: 工业过 滤材料, 饮料、血 浆、医用注射剂的过滤剂, 橡塑和玻璃钢等工业填料 及助剂, 保温隔 热材料, 轻质 建筑材料, 柔 性磨料 等 [ 3] 。硅藻土还可制造水化硅酸钙、无机矿物纤维, 以及用于防凝结剂, 炸药密度调节剂, 火柴头、电焊 条成分, 混凝土、钻井泥浆、公路沥青添加剂, 水处 理剂, 工业催化剂载体, 动物饲料补充剂, 土壤调节 剂, 具 有缓 释功 能的消 毒、杀 虫 ( 菌 ) 、农药、肥 料、香料、医药的吸收剂载体, 功能性造纸填料和涂 料颜料等。美 国研究人员发现 [ 7] , 硅藻土还 可代替 有机磷熏蒸剂用于粮食仓库中作为 ∃ 绿色除虫剂 %, 这是因为硅藻土具有极强的吸附力, 粮食中的害虫一 旦沾上硅藻土粉末, 其蜡状 外壳中的水分很 快被吸 干, 害虫因脱水而死亡。
20~ 60 m, 具有较大的比表面 积 ( 19~ 65 m2 / g ),
(俄罗斯、秘鲁、捷克、法国、墨西哥、丹麦、日本
吸油率 100% ~ 150% , 可吸收自身质量 1 5 ~ 4 5 倍 的水。硅藻土表面被大量的 硅羟基覆盖并有 氢键存
等 ) 大约有 3亿 t。在这些硅藻土资源中, 可以不经 选矿直接加工生产硅藻土助滤剂的, 全球仅有美国加
硅藻土
专题论坛
硅藻土的理化特性及其在造纸 领域的应用
孙德文 宋宝祥
(中国制浆造纸研究院, 北京, 100020)
作者 简介: 孙德 文 先生, 助理 工程师; 主 要从 事 造纸 矿 物颜 料加工利用的研究工作。
摘 要: 概述了硅藻土的理化特性、产品分类和特点、国 内外资源分 布、主要工业 用途与产 品的制
古 4省 (区 ), 4省 (区 ) 的硅
图 1 几种国产硅藻土的粒子形貌和孔隙结构特征
藻土产量占我国硅藻土总产量的 80% 以上。
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Ch ina Pu lp & Pap er Vol 29, N o 8, 2010
专题论坛
3 硅藻土的主要工业用途与产品制造
4 硅藻土在造纸上的使用及其研究开发现状
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