吉林白山地區低品級硅藻土利用現狀及開發利用探討

李志威，代 宗，王 宏

(1.中國建筑材料工業地質勘查中心，北京 100035；2.咸陽非金屬礦研究設計院有限公司，陜西 咸陽 712021)

硅藻土以其獨特的微孔結構及納米特性被廣泛應用于輕工、化工、建材、石油等許多領域[1]。目前對于低品級硅藻土的開發利用較少，造成了低品級硅藻土資源的嚴重浪費，且對環境造成了巨大壓力。因此對于低品級硅藻土尤其是II級、III級土的開發和利用尤為緊迫。本文重點調查了吉林白山地區目前正在開采的硅藻土主要礦山，針對吉林白山地區低品級硅藻資源現狀、利用現狀，以及低品級硅藻土開發利用的問題，介紹了低品級硅藻土直接利用，探討了提純加工方法，指出了低品級硅藻土的開發利用方向。

1 硅藻土資源現狀

我國已探明硅藻土資源儲量5.13億t，其中吉林省探明資源儲量最多，約3.56億t，吉林白山地區是目前我國發現的最大優質硅藻土資源蘊藏地。雖然云南沖騰和內蒙古也有一些優質硅藻土資源，但其資源儲量小，并且內蒙古硅藻土礦屬于“雞窩礦”不能規模開采或者根本不具備開采條件。其他地區如云南旬邑、臨滄、浙江嵊州硅藻土雜質含量較高，加工處理除雜較難、成本高，同時環境污染嚴重。

吉林省白山地區硅藻土資源無論是品質還是資源儲量遠勝其他地區，主要分布在臨江—長白地區，占全省資源儲量的84.27%。其中I級硅藻土約占資源總量的20%～25%，II級、III級硅藻土占總量的65%～70%。

2 低品級硅藻土利用現狀

筆者曾對硅藻土的產業狀況、利用狀況及消費市場進行了較為深入的總結論述[2]。吉林白山硅藻土以品質好而聞名，但硅藻土礦層呈層狀產出，礦層在垂向上具有明顯韻律，一般從下至上為：硅藻粘土→粘土質硅藻土→含粘土質硅藻土→硅藻土→含粘土質硅藻土→粘土質硅藻土→硅藻粘土，其間為漸變關系，I級硅藻土一般產在礦層中部。目前開采礦山一般沿著I級土礦層(中心部位)采用平硐開采方式掘進，上下層的II級、III級不被開采或部分開采，資源回采率低，浪費嚴重。被采空的上層資源容易造成礦層坍塌，再回來開采II級、III級土，開采難度將會更大，開采成本將會更高，資源開發綜合利用率很低。因此，目前的開采方式造成資源浪費的同時也破壞了原有資源的分布及開采條件，既使后期可開采，開采難度和成本將急劇上升。

目前I級硅藻土主要用于助濾劑市場。低品級硅藻土由于品質較差，不能直接應用于助濾劑，雖然經提純后可以達到I級土的質量要求，但由于成本較高，應用較少。目前大部分企業只開采I級硅藻土，獲取自身短期的經濟效益，低品級硅藻土不被開采或采出后堆放(開采過程中無法避開礦段)，造成硅藻土資源的極大浪費。稀缺優質資源不僅沒有得到合理的開發利用，同時原土堆放造成植被破壞，水土流失，周邊生態環境受到一定影響。

3 低品級硅藻土的開發利用探討

硅藻土的開發利用是秉持礦產資源“吃干榨凈”理念的應有之意。對低品級硅藻土進行開發利用，一方面是綠色礦山建設的題中之意；另一方面可以提高資源綜合利用率，延長礦山服務年限。對低品級硅藻土的開發利用分為直接利用和提純加工利用兩種方案。

3.1 直接利用領域

直接利用是指將開采的低品級硅藻土不經過加工直接進行應用，其主要可以應用于造紙填料、農業應用、瀝青改性劑、板材、砌塊等領域。

(1)造紙填料。

卜揚[3]研究了填加Ⅰ級硅藻土和Ⅱ級硅藻土對成紙的撕裂指數的影響趨勢基本相同，但添加二級硅藻土過多對于紙張白度有不利影響。李金寶等[4]研究表明：硅藻土可作為白度要求不高的輕質印刷紙的填料使用，是一種加填效果較好的填料。

(2)農業應用。

朱健等[5]發現硅藻土對重金屬離子的吸附主要為孔道內部復雜的綜合吸附，重金屬離子能夠被有效固定。況且硅藻土源自土壤，不會為土壤帶來二次污染，同時硅藻土還具有一定的持水性，有助于土壤肥力的恢復。Piri等[6]研究發現硅藻土可使土壤中的重金屬向更穩定的形態重新分布，其成本低廉，在改良土壤中具有顯著的潛力。

Prakash等[7]發現：硅藻土在酸性和堿性土壤中均可提高土壤中植物可用硅的含量，在最佳條件下SiO2含量在53.1%和63.7%的硅藻土釋放的植物可用硅含量較高。Nascimento等[8]研究表明，施加硅藻土增加了甜瓜果實的數量和重量。可能是由于硅藻土的添加提高了甜瓜植株對硅和養分(N、P、K、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn)的吸收。低品級硅藻土在殺蟲劑、農藥緩釋等農業應用方面有獨特的應用。

(3)瀝青改性劑。

李旭東[9]、Tan等[10]發現硅藻土中SiO2含量和硅藻含量對改性瀝青影響較大。瀝青經硅藻土改性后，其馬歇爾穩定度提高、高溫穩定性提高、抗低溫性提高，各項性能優于純瀝青。鄧秋紅[11]采用Ⅱ級硅藻土對瀝青進行改性，深入研究了II級土對瀝青各項指標的影響，獲得最佳的配比。

(4)板材、砌塊應用。

目前低品級的硅藻土在板材、砌塊等領域也有一些應用探索。白濤等[12]以III級土、消石灰和水為主要原料，通過模壓成型、水熱固化等工藝的有機結合，得到一種具有適宜力學強度的輕質建筑板材。Gencel等[13]進行了硅藻土—聚丙烯纖維輕質石膏復合材料的研究，硅藻土的加入降低了復合材料的整體質量，提高了復合材料的隔熱性能。吉冬萍[14]研究發現II級土、III級土制備的硅藻土磚的抗折強度和吸水率較好，且采用電氣石作為功能性添加料可以使硅藻土磚具有釋放負氧離子的功能。Man等[15]以III級土為原料，加入過硼酸鈉和白云石為助熔劑，燒結制備多孔磚。其容重低、抗折強度高，各項參數均高于國家多孔磚標準。

以上低品級硅藻土直接應用領域的研究表明：低品級硅藻土在填料方面直接應用有一定的前景，一方面需要進一步對低品級硅藻土在該領域的應用技術攻關；另一方面還需要進一步研究，拓寬應用領域，擴大應用市場。

3.2 低品級硅藻土加工利用

低品級硅藻土SiO2含量低，硅藻殼體的多孔性很差，且硅藻殼上存在粘土礦物和有機物等雜質，它們與硅藻殼體相互夾雜、包裹和固結，堵塞了硅藻殼體的天然微孔肢體，使硅藻土最出色的天然多孔性能受到嚴重影響。因此某些領域需要對低品級硅藻土采用各種手段和措施將這些堵塞微孔的粘土礦物雜質和一些有機雜質去除，然后再進行應用[16]。

3.2.1 物理提純法

(1)擦洗法。

擦洗法是在硅藻土顆粒磨細后利用水流及礦物顆粒之間的剪切力，使粘結在硅藻殼上的黏土礦物和碎屑礦物脫附解離。通過不斷擦洗，大量雜質礦物得以分離，使其純度不斷提高，且擦洗次數越多，效果越好。但單純使用擦洗法提純難以得到高品質的硅藻精土。

(2)浮選法。

由于低品級硅藻土含有大量的有機質和雜質，采用化學法直接提純成本高。采用浮選法先提純除雜得到較高品質的硅藻土精土是可行的。高瑩等[17]對吉林臨江Ⅲ級硅藻土進行浮選提純試驗研究，通過對各項浮選條件進行優化，將SiO2含量由74.58%提高至79.38%，回收率為42.74%。由此可見浮選法可以一定程度提純硅藻土，但仍然難以得到高品質硅藻精土。

(3)離心分選法。

由于常規擦洗法是在重力場進行的，效率較低。而在離心力場中采用離心分選，離心力可達到重力的數十倍甚至上千倍，從而可以加大顆粒的分層速度，提高設備的處理能力。Yang等[18]對臨江II級土采用離心分選，將原土SiO2含量由80.17%提純至87.41%，且精土中的孔隙較原土有了明顯改善。離心分選法雖然可以去除包裹在硅藻殼外壁的雜質，但是對于夾雜、固結在硅藻殼體內部孔洞的雜質去除效果不佳，若采取更大的擦洗力度還會破壞硅藻殼體結構，使硅藻殼破碎，甚至失去應用價值。

3.2.2 化學提純法

(1)焙燒法。

焙燒工藝是一種最簡單、最有效的提純工藝，也是制備用作助濾劑硅藻土的純化過程的關鍵工藝，且成本低，操作簡便。焙燒工藝主要用于燒失量較高的硅藻土提純處理，由于原土中存在的有機質對鐵、鋁等雜質的浸出起到阻礙作用，將原土煅燒后，有機質以及吸附在硅藻土中的自然態水揮發，可有效的改善酸浸條件，因此，此法多用于和酸浸法或堿浸法聯合使用[19]。鄭水林等[20]在不同溫度下對硅藻土進行焙燒試驗，發現圓篩形硅藻土在450℃下焙燒2h后原有形貌保持不變，比表面積和孔隙率達到最大值，當焙燒溫度升至900℃后圓篩形硅藻土邊緣部分開始出現融化，當焙燒溫度繼續升高到1 150℃后，硅藻土的微孔結構基本消失。因此在硅藻土焙燒處理中選擇合適的焙燒溫度至關重要。另外，焙燒法不能去除黏土類雜質，必須和其他方法配合使用方能達到提純目的。

(2) 酸浸法。

硅藻土中的有效成分SiO2不溶于除HF以外的其他酸，而其他雜質礦物能溶于酸。利用該特性能夠有效去除氧化物、碳酸鹽、硫酸鹽等礦物雜質。San等[21]采用鹽酸處理硅藻土，原土經酸浸1h后，比表面積由189m2/g提高到222m2/g，但是要獲得SiO2含量為95%以上的硅藻土則需要酸浸12h以上。經酸浸處理后，硅藻土品位提高的同時，孔容量、比表面積都有明顯增大。但采用酸浸處理方法，存在酸處理耗時長、酸對設備腐蝕嚴重、廢液必須經過嚴格的處理后才能進行排放等缺點。

3.2.3 聯合提純法

單一的提純方法，難以經濟高效的對硅藻土進行提純加工，而聯合法可以集合各方法的優點，是硅藻土提純常用的方法。劉楊等[22]采用物理擦洗—離心和硫酸酸浸聯合工藝對化德硅藻土進行提純加工，在最佳條件下硅藻土白度從64.5提高到 82.4，SiO2含量從78.57%提高到92.83%。孫林[23]首次將超聲預處理和水熱法與傳統的酸浸焙燒工藝相結合，研究了該方法對長白硅藻土進行提純的最佳工藝條件。結果表明：純化后低品級硅藻土SiO2含量可由76.68%提升至94.95%，高品位硅藻土SiO2含量由83.03%提升至97.12%，回收率可達73.12%，同時比表面積也大幅度提升。

綜上所述，采用單一的方法，對低品級硅藻土提純，不是存在精土品質低，就是存在成本高的問題。必須對原礦性質進行深入研究，開發符合原礦性質的工藝，聯合不同方法，盡可能高效的開發低品級硅藻土。

4 結論和建議

(1)吉林白山低品級硅藻土資源豐富，但目前對低品級硅藻土資源利用不夠，不但造成硅藻土資源的浪費，而且也給環境帶來了較大影響。

(2)低品級硅藻土資源可應用于板材添加、農業應用以及瀝青改性等領域，但相對于大量的低品級硅藻土資源儲量來說，利用范圍較窄、利用量較小，不能解決低品級硅藻土資源開發利用的根本問題。

(3)低品級硅藻土的提純加工是低品級硅藻土身價增值和應用領域拓寬的重要途徑，相關企業應加大與高校和科研院所的合作，加強對提純方法和提純工藝的研究，降低提純加工成本，提高產品質量，不斷拓寬應用領域。