納米硅藻土作為催化劑載體的研究進展

齊維維（遼寧博士科技有限公司，遼寧 沈陽 110001）

納米硅藻土作為催化劑載體的研究進展

齊維維（遼寧博士科技有限公司，遼寧 沈陽 110001）

硅藻土是一種生物成因的沉積巖類礦產資源，具有多孔、質輕、吸附能力強、比表面積大、化學穩定性好等一系列優異性能，廣泛應用于助濾劑、吸附劑、催化劑載體和功能填料。

硅藻土；提純；負載量；孔徑

東北地區是我國高品質硅藻土的重要產地，主導產品為水泥混合材料、保溫材料和低檔助濾劑等低附加值產品及少量高附加值的功能填料、釩催化劑載體等，其中保溫材料占60%以上。

1 國內外研究進展

硅藻土原礦中伴生有大量有機質和黏土類礦物，主要包括Al2O3、Fe2O3、CaO和MgO等。這些雜質固結在硅藻殼外壁或填充在孔隙中，只有經過疏通孔道、提純成分才能進一步加以利用。2006年中國礦業大學鄭水林教授研究了酸浸和焙燒提純硅藻土的工藝，發現72%濃度的硫酸處理方可使硅藻土中難以去除的Fe2O3含量顯著下降[1]。目前，我國硅藻土的提純加工使用強酸處理工藝，難以滿足環境保護的要求。在提純方面我國研究往往集中于如何使原土質量達到助濾劑原土標準，對硅藻土表面的極性特征以及分子耦聯表面的反應性、功能活性分子或納米材料的負載等則研究遠遠不夠。新型催化劑材料開發和納米尺度負載技術研究是進一步拓寬硅藻土作為載體應用的關鍵。隨著催化劑尺度的降低，需要高比表面積的硅藻土以提高催化劑的負載量。

2009年日本東北大學科學家Hirotaka Maeda報道了利用水熱處理硅藻土用于吸附和釋放水蒸汽[2]，在此基礎上，日本應用硅藻土多孔吸濕和放濕的功能研制出輕質裝飾涂料和調濕功能建材。冀志江等人對比分析了硅藻土、沸石、海泡石等礦物材料的調濕性能，發現未經改性的硅藻土只能在大濕度范圍內才能發揮吸濕性能[3]。近年來，以硅藻土為原料制備多孔陶瓷的研究在國際上也得到大量關注，解決的主要問題是高溫燒結增加強度與降低比表面積之間的矛盾。2010年瑞典學者F. Akhtar研究了燒結工藝對硅藻土基多孔材料結構的影響，發現1000℃下燒結得到的多孔陶瓷具有較好的抗壓強度，更高的溫度下得到的陶瓷有孔隙被堵塞的可能。采用低溫成型工藝使硅藻土基多孔陶瓷保持較高的比表面積和足夠的強度將是未來研究的熱點領域。

2 硅藻土高附加值產品應用技術難點

硅藻土材料獨特的三維納米孔道，使其可以隨不同季節及環境濕度、溫度的變化，自動吸收和釋放水分。以硅藻土為主要原料，通過添加相應的功能活性成分還能制得性能優良的建筑材料。當環境濕度高于體表舒適濕度時，硅藻土材料可以吸收空氣中水蒸汽，從而降低人體周圍環境濕度；而當空氣干燥時，材料可以自動釋放內部水分，最終達到調節人體周圍濕度平衡、調節呼吸循環以及明顯改善人居環境的應用效果。

2.1 硅藻土的低成本分離提純與孔徑控制技術

提純是硅藻土由簡單礦物向功能性材料轉變以提高附加值的關鍵一步。運用多種材料分析測試手段研究硅藻土東北產區硅藻土原礦特性，通過干法風選分級技術實現低品位硅藻土的雜相分離。目前硅藻土提純主要采用酸浸或物理沉降法，盡管有一定的提純效率，但設備腐蝕和環境污染現象嚴重。后期方向是研究利用高活性等離子體預處理實現低溫去除表面有機物，同時提高雜質成分活性，從而可以選擇環境友好的弱酸堿浸出工藝，最終確定面向不同產品的最佳工藝流程和參數。

2.2 通過增強硅藻土粉體孔隙提高比表面積的技術

高比表面積和孔隙率是硅藻土負載具有特定功能活性載體的關鍵。圓盤狀硅藻土的孔徑較大，孔徑分布不夠合理，而且燒結工藝只能通過除去圓盤狀硅藻土孔徑中的殘余有機物提高比表面積，效果非常有限。需要運用材料設計的理論改善硅藻土的孔徑分布、提高比表面積。后期方向是通過控制帶有特定官能團的表面活性劑在硅藻土表面的吸附與在納米孔內的擴散之間的平衡，實現在納米尺度內對硅藻土孔壁的選擇性刻蝕，使硅藻土形成從納米孔到微米孔的多層級孔結構。

2.3 改性硅藻土表面修飾及均勻負載納米催化劑技術

應用選擇性刻蝕技術處理后圓盤狀硅藻土孔隙率和比表面積大大提高、孔結構更為豐富，是納米催化劑材料的理想載體。但是由于煅燒過程中硅藻土表面極性的降低，難以均勻負載納米催化劑。后期重點實現以硅藻土納米孔隙為微型反應器在其表面原位合成貴金屬和氧化物催化劑材料，以解決硅藻土表面均勻負載難題。

3 硅藻土高附加值產品應用發展方向

目前利用硅藻土的納米效應制備室內環保建材應用較多的國家是日本，我國在此方面起步較晚，迄今基本處于實驗室研究階段。隨著人們對家居環境要求的日益提高，濕度是人們越來越關心的人居環境指標；而且伴隨室內裝修以甲醛為代表的有害氣體已經嚴重影響到人們的日常生活，成為廣泛關注的社會問題，因此，我國有關硅藻土的研究已經成為一個材料研究領域的熱點之一。

[1]鄭水林，王利劍，舒鋒，陳俊濤.酸浸和焙燒對硅藻土性能的影響.硅酸鹽學報，2006，11(11):1382-1386.

[2]H.Maeda,S.Kato,E.H.Ishida.Materials from diatoma?ceous earth for moisture control application.Int.J.Appl.Ceram.Te?chol.,2009,6:431-436.

[3]冀志江，王靜，候國艷，張連松.多孔結構無機材料比表面積和孔徑分布對調濕性能的影響.巖石礦物學雜志，2009，28: 653.