天然非金屬礦物的過濾性能及其應(yīng)用

劉玉芹

（中國非金屬礦工業(yè)有限公司，北京 100142）

【開發(fā)利用】

天然非金屬礦物的過濾性能及其應(yīng)用

劉玉芹

（中國非金屬礦工業(yè)有限公司，北京 100142）

本文介紹了幾種天然非金屬礦物的過濾性能，對當前非金屬礦在過濾行業(yè)的應(yīng)用進行了闡述，并分析了未來非金屬礦物材料在過濾材料應(yīng)用中的發(fā)展趨勢。

過濾；硅藻土；珍珠巖；活性白土；沸石；玄武巖

1 引言

非金屬礦物是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于石油、化工、建筑、環(huán)保、機械、地質(zhì)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域[1]。近年來，隨著對非金屬礦物的化學(xué)成分、物理性質(zhì)、表面活性、晶體結(jié)構(gòu)、超細效應(yīng)及其改性技術(shù)等方面的研究不斷深入，非金屬礦物在處理工業(yè)廢水、大氣凈化、生態(tài)建材、過濾脫色等方面的應(yīng)用取得了顯著的進展。我國礦產(chǎn)資源豐富，許多非金屬礦物(如膨潤土、硅藻土、珍珠巖等)因其特有的成分及結(jié)構(gòu)特征而具有良好的吸附、離子交換以及過濾等性能，且儲量大、價格低、對環(huán)境無污染，是一類環(huán)境友好、很有發(fā)展前景的優(yōu)質(zhì)廉價過濾吸附材料。本文列舉了幾種典型的非金屬礦物，對其過濾性能及其應(yīng)用進行了討論和分析。

2 過濾性能及其應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 硅藻土

硅藻土是古代單細胞低等生物硅藻遺骸堆積后，在一定的地質(zhì)條件下經(jīng)過成巖作用而形成的一種具有多孔性的生物沉積巖[2]。其化學(xué)成分以SiO2為主，礦物成分為蛋白石及其變種。硅藻土種類繁多，形態(tài)各異，有圓盤狀、橢圓狀、篩管狀、舟狀、棒狀等。因其具有細膩、松散、質(zhì)輕、多孔、比表面積大、吸水性和滲透性強、白度高、吸附性能強等特征，且安全無毒，化學(xué)穩(wěn)定性好，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、建材、食品、環(huán)保等許多領(lǐng)域。

目前，硅藻土因其表面的孔結(jié)構(gòu)而被廣泛用作助濾劑，主要是過濾吸附液體中的固體顆粒、懸浮顆粒、膠體、粒子細菌等，起到濾凈和凈化液體的作用，己經(jīng)被廣泛用于釀造、醫(yī)藥、油脂工業(yè)、涂料和染料、污水處理和廢氣過濾。絕大多數(shù)大中型啤酒廠在生產(chǎn)過程中都采用硅藻土過濾[3]，在啤酒和飲料生產(chǎn)中被廣泛地應(yīng)用，如在釀酒過程中使用硅藻土過濾可以不斷更新濾床，過濾速度快，產(chǎn)量大； 表面積大，吸附能力強，能濾除0.1～1.0μm的微粒，降低酒損1.4%左右，改善生產(chǎn)操作條件。陳堯等[4]使用硅藻土助濾劑解決頭孢菌素C發(fā)酵液直接過濾濾速慢、澄清度差、收率低的問題，根據(jù)試驗推斷中、細粒度助濾劑搭配使用應(yīng)能在保證濾速的前提下提高透光率，滿足生產(chǎn)要求。朱紅衛(wèi)[5]提出硅藻土過濾器能更好的提高游泳池循環(huán)水處理出水水質(zhì)，并能夠在游泳池運行管理中節(jié)水、節(jié)電。硅藻土在食用油、醫(yī)藥口服液等方面也得到廣泛的應(yīng)用。任華峰等[6]對硅藻土助濾劑及硅藻土預(yù)涂膜過濾技術(shù)在海水凈化中的應(yīng)用進行了初步研究，通過實驗室規(guī)模的硅藻土預(yù)涂膜過濾裝置，確定了運行條件和工藝參數(shù)，為硅藻土預(yù)涂膜過濾技術(shù)應(yīng)用于游泳、娛樂海水的循環(huán)凈化奠定了基礎(chǔ)；譚彩菊等[7]將硅藻土助濾劑應(yīng)用在精糖的生產(chǎn)，明顯降低了糖液的濁度，產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)于國家的質(zhì)量指標要求，成本低廉，經(jīng)濟效益顯著；另外，硅藻土助濾劑己被廣泛應(yīng)用于茶籽油、醬油、食醋等的過濾[8-10]。

2.2 膨脹珍珠巖

珍珠巖是一種具有珍珠結(jié)構(gòu)的酸性玻璃質(zhì)火山熔巖。珍珠巖微粒經(jīng)高溫煅燒處理，巖石中的結(jié)晶水蒸發(fā)，珍珠巖以原體積15～20倍比例急劇膨脹，于是形成大量含閉口和開口的膨脹珍珠巖，再經(jīng)過研磨和風(fēng)選后，便形成具有特殊性能的珍珠巖助濾劑。它的顆粒體堆聚以后形成一種不壓縮的餅狀體，其空間體積占80%～90%，換句話說，這種物質(zhì)組成的濾床中有80%～90%是空氣。利用其篩分效應(yīng)和深層效應(yīng)，通過其間可使液體得到過濾，過濾過程中大顆粒物質(zhì)直接被截留在濾層表面，較小的顆粒物質(zhì)則被珍珠巖所形成的曲折通徑和其本身表面的吸附作用所截留。

珍珠巖助濾劑在各類液體飲料的過濾、食品過濾、油類過濾、水過濾、藥物過濾、化工物質(zhì)過濾、貴重金屬的回收等領(lǐng)域均得到很好的應(yīng)用。饒鳳山等[11]對比了硅藻土和珍珠巖助濾劑，發(fā)現(xiàn)無論從過濾速度，還是從透光率來進行比較，珍珠巖助濾劑的過濾性能均優(yōu)于硅藻土，珍珠巖助濾劑所形成的濾餅干燥、容易剝離，濾餅含水量低操作方便，市場價格低于硅藻土，且能提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，具有較好的應(yīng)用價值，是一種理想的助濾劑。顏景斌等[12]采用珍珠巖助濾劑成功的運用于林可霉素發(fā)酵液的過濾。此項應(yīng)用有效地避開了發(fā)酵液直接板框過濾的不利因素，提高了過濾效率和濾液質(zhì)量，特別是提高了成品質(zhì)量，使成品灰分降低了50%。珍珠巖助濾劑在國內(nèi)是20世紀80年代中期開始發(fā)展的一種新型過濾材料，與市場上同類產(chǎn)品相比，除具備傳統(tǒng)助濾材料的澄清過濾和吸附回收等功能外，還具有容重小、色白、多孔、流動速率大和價格低廉等突出優(yōu)點[13]。因此，日益受到工業(yè)界和用戶的關(guān)注，市場前景廣闊。

2.3 活性白土/顆粒白土

活性白土是膨潤土經(jīng)硫酸活化處理而得，而膨潤土的主要礦物成分為蒙脫石，所以蒙脫石的結(jié)構(gòu)特性決定了活性白土的基本性能。在酸化處理時，晶格結(jié)構(gòu)中的雜質(zhì)和離子交換形成了微孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，比表面積增大，增加了吸附能力和離子交換能力。活性白土因脫色效率高，吸附能力強，比表面積大，活性度低，因而在吸附和脫色方向具有良好的應(yīng)用前景，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于食用油脫色、化工產(chǎn)品精制等領(lǐng)域[14]。

目前活性白土被廣泛用于各類植物油、動物油和礦物油的脫色精制。不管是動物油脂還是植物油，未經(jīng)提煉過的都含有許多雜質(zhì)、色素等有害物質(zhì)。在其加工處理過程中，通常使用強吸附劑來吸附去除初煉油中的有害物質(zhì)，它可除去油中的色素、過氧化物、微量金屬、殘皂和磷脂等，并可防止成品油的回色[15]。食品安全國家標準GB25571-2011《食品添加劑活性白土》中給出了活性白土的理化指標要求，活性白土對油脂的脫色效果除受活性白土的質(zhì)量影響外，還受脫色溫度、脫色壓力、攪拌強度、脫色時間以及油品種和質(zhì)量的影響。

在化工產(chǎn)品的精制過程中，利用活性白土來去除其中雜質(zhì)。化工產(chǎn)品如潤滑油、固體石蠟、乙醇、硫磺等，在化學(xué)反應(yīng)常伴隨著副反應(yīng)，也有雜質(zhì)生成，它們的存在影響產(chǎn)物的性能，精制是必須的一道工序。在精制化工產(chǎn)品過程中，主要是利用活性白土的強吸附性能除去雜質(zhì)，吸附一般為物理吸附，但也有可能伴有化學(xué)吸附。活性白土因為離子交換帶負電荷，可以除去產(chǎn)物中的陽離子，且不與化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，所以活性白土是一種理想的化工產(chǎn)品精制吸附劑。

2.4 沸石

沸石是沸石族礦物的總稱，是一種含水的堿金屬或堿土金屬的鋁硅酸礦物，是當今世界各國十分重視的新興礦產(chǎn)資源。沸石具有開放式的結(jié)構(gòu)，晶格內(nèi)部有很多大小均一的孔穴和通道，在孔穴和通道中存在許多沸石水，當水分子被除去后，就形成了一個個內(nèi)表面很大的孔穴，孔穴通過開口的通道彼此相連，使得沸石的表面積巨大，可達400～800m2/g，具有良好的吸附性能。沸石表面還具有很大的色散力和較大的靜電力，故其吸附力特別強大。孫迎雪等[16]采用經(jīng)活化后的天然沸石吸附劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)砂濾池中的砂濾料，使濾池除具有過濾去除水中濁度的作用，同時還可去除水中有毒的重金屬離子和部分溶解性的有機物；王恒等[17]將PAC混凝沉淀與沸石床過濾相結(jié)合的方式來處理服務(wù)區(qū)的污水，與傳統(tǒng)鋁鹽類和鐵鹽類混凝劑相比，其投加量更低，而混凝效果更好，適用范圍更廣，沉渣量也更小。

2.5 玻璃纖維

玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料，它是以玻璃球或廢舊玻璃為原料經(jīng)高溫熔制、拉絲、絡(luò)紗、織布等工藝制造成的。玻璃纖維由于耐溫性高、耐腐蝕、表面光滑、粉塵剝離性和尺寸穩(wěn)定性好，廣泛應(yīng)用于水泥工業(yè)窯頭窯尾、鋼鐵工業(yè)高爐煤氣、電力行業(yè)燃煤鍋爐及冶金、石油、垃圾焚燒等工業(yè)生產(chǎn)的煙塵治理。其能有效捕集粉塵、過濾煙氣，對節(jié)能降耗、環(huán)境保護具有重大意義。

作為一種傳統(tǒng)的過濾材料，玻璃纖維用于多種過濾器材，像家用濾塵器、呼吸器，以及HVAC(供暖、空調(diào)及通風(fēng))、HEPA(高效粒子過濾)和ULPA(超高效過濾)中的濾袋。依據(jù)制造工藝和工藝參數(shù)的不同，玻璃纖維具有從亞微米到30μm的直徑范圍。目前，國內(nèi)市場上主要使用的玻璃纖維過濾材料有平幅布、膨體布、針刺氈三大系列。玻璃纖維針刺氈過濾材料是20世紀80年代研究開發(fā)的新型高溫高效玻纖濾料，是一種結(jié)構(gòu)合理、性能優(yōu)良的新型高溫濾料，不僅具有玻璃纖維織物濾料耐高溫、耐腐蝕、尺寸穩(wěn)定、強度高的特點，而且由于氈層纖維呈三維微孔結(jié)構(gòu)，空隙率高，對氣體的過濾阻力小，是一種高氣布比的高溫過濾材料[18]。玻璃纖維過濾材料可根據(jù)使用情況對其進行表面處理，經(jīng)過表面處理后的玻纖濾料，分別或綜合具有了耐折、耐磨、憎水、憎油、抗結(jié)露、耐酸等性能。

2.6 玄武巖纖維

玄武巖是一種以SiO2、Al2O3為主要成分的礦物，20世紀80年代前蘇聯(lián)通過研究把玄武巖制成了連續(xù)纖維并逐漸應(yīng)用開來。玄武巖的礦物組成和結(jié)構(gòu)特征決定了玄武巖纖維在耐高溫性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、力學(xué)性能等許多方面具有優(yōu)良的特性。

在高溫?zé)煔膺^濾方面[19]，玄武巖纖維具有其他材料無法比擬的優(yōu)勢。玄武巖纖維的使用溫度范圍為-269～700℃，最高使用溫度在860～900℃，具有突出的耐溫性能。還有穩(wěn)定的化學(xué)性能和耐水性。玄武巖纖維中含有近20%的導(dǎo)電氧化物，在生產(chǎn)中可以減少靜電的產(chǎn)生。研究表明，玄武巖在耐高溫過濾材料、耐酸堿過濾材料、抗靜電過濾材料方面具有廣泛的應(yīng)用前景[20]。

3 過濾材料的應(yīng)用前景及趨勢

隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的不斷發(fā)展，非金屬礦的加工水平逐漸提高，對非金屬礦物的利用也逐漸向著高純化、功能化、精細化發(fā)展，非金屬礦在國民經(jīng)濟中的重要地位逐漸凸顯出來。在過濾材料領(lǐng)域，由于其特殊的結(jié)構(gòu)和性能，加之具有天然礦物的穩(wěn)定性、耐受性，儲量豐富，價格低廉，使其具有合成過濾材料所無法比擬的優(yōu)勢。近年來，國際上對過濾材料的研究呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展之勢，對過濾材料也提出了越來越高的要求，非金屬礦可以在很大程度上滿足這些新要求。今后，非金屬礦過濾材料的發(fā)展趨勢體現(xiàn)在如下幾方面：

(1) 高效高性能非金屬礦過濾材料。

當前，過濾材料領(lǐng)域現(xiàn)有的過濾材料已經(jīng)無法滿足實際應(yīng)用要求，急需新的高性能的過濾材料。因此，開發(fā)高效高性能的過濾材料如具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、耐高溫、耐水性、耐酸堿、抗靜電、阻燃、防霉等性能，將是未來對過濾材料提出的新要求，非金屬礦物過濾材料因其特有的成分及結(jié)構(gòu)特征可以很好的滿足以上要求。

(2) 非金屬礦物吸附過濾材料。

隨著人們環(huán)保意識的逐漸提高，對過濾材料提出了吸附除雜的新要求。如在水處理過程中，過濾材料可以去除水中有形的雜質(zhì)，但重金屬以及其他有害離子則可以通過非金屬礦物的吸附性能予以去除，在吸附方面非金屬礦如膨潤土、硅藻土、沸石的表現(xiàn)尤其突出。

(3) 復(fù)合非金屬礦過濾材料。

為獲得更好的過濾效果，可根據(jù)不同礦物材料的結(jié)構(gòu)特點或性能，把幾種礦物材料復(fù)配制備高效、經(jīng)濟的復(fù)合礦物過濾材料。例如，硅藻土和珍珠巖助濾劑單獨使用都存在一定的不足之處，但將二者適當配合使用，可達到取長補短、改善產(chǎn)品性能的目的。另外，纖維類的過濾材料也可復(fù)合使用，如玻璃纖維與滌綸復(fù)合濾料，可兼具玻璃纖維濾料的耐高溫、耐腐蝕、高強度、低阻力，以及滌綸的耐折、耐磨性好等優(yōu)點。可見，復(fù)合非金屬礦助濾劑也將是過濾材料未來發(fā)展的一個趨勢。

(4) 改性非金屬礦物過濾材料。

天然非金屬礦物在其過濾性能方面可能存在一定的缺點，但通過改性和表面處理可以極大的提高其過濾性能，如對珍珠巖進行膨化處理，對硅藻土進行煅燒處理，對膨潤土進行酸化處理，都是在礦物原有的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，進一步完善其孔道結(jié)構(gòu)，使其具有更好的過濾性能。

4 結(jié)語

隨著國家對節(jié)能減排、綠色環(huán)保的要求不斷提高，過濾材料的重要性也逐漸凸現(xiàn)出來，但現(xiàn)有的過濾材料已經(jīng)無法滿足實際應(yīng)用要求，急需新的高性能的過濾材料。非金屬礦物具有吸附容量大、儲量豐富、價格低廉、對環(huán)境無毒無害等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，其在過濾領(lǐng)域也發(fā)揮著舉足輕重的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的大力發(fā)展，基于非金屬礦物超純、超細和功能化等研究的不斷深入，其在過濾領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的應(yīng)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