硅藻土的孔結構特性對吸濕和放濕性能的影響

尹勝男，胡志波，演　陽，鄭水林

(中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院，北京　100083)

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硅藻土的孔結構特性對吸濕和放濕性能的影響

尹勝男，胡志波，演陽，鄭水林

(中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院，北京100083)

通過對臨江硅藻精土、酸浸硅藻土和硅藻土助濾劑的孔結構特性以及吸濕、放濕性能進行研究，得出了硅藻土孔結構特性與其調濕性能關系及其影響規律。結果表明：相同材料的吸濕量大于其放濕量，酸浸硅藻土的平衡吸濕量較高，在濕度70%環境下的平衡吸濕量隨其比表面積、孔體積的增大而增加，隨平均孔徑的增大而降低；平衡放濕量隨比表面積、孔體積和平均孔徑的增大均表現為先增大后減小的趨勢。

硅藻土； 比表面積； 孔結構特性； 調濕性能

1　引　言

空氣濕度是一個重要的環境參數，相對濕度與人們生活生產密切相關，相對濕度的調節對于改善人居環境、植物的健康生長、提高物品(食品、藥品、文物)的保存質量、儀器的正常運行以及維持生態環境的可持續發展都具有重要意義[1]。

調濕材料是指依靠自身的吸放濕性能，感應所調空間濕度的變化，自動調節空氣相對濕度的材料。當空間濕度較高時，調濕材料能夠吸附環境中的水蒸氣，使空間的濕度降低；當空間的濕度較低時，材料將釋放出自身吸附的水蒸氣，增加空間的相對濕度，從而保證環境空間濕度的相對恒定[2]。

純凈的硅藻土一般呈白色土狀，含雜質時，常被鐵的氧化物或有機質污染而呈灰白、黃、灰、綠以致黑色，質軟而輕。由于硅藻殼體具有數量2～2.5億個/g天然納米微孔，孔徑7～125 nm且分布有規律，具有很強的吸附力及較大的吸附容量，能吸收自身質量3～4倍的水，而且具有堅固、隔音、隔熱、耐磨、耐酸和熱傳導性低等特性[3,4]。本文對三種不同的硅藻土原料：臨江硅藻精土、酸浸硅藻土和硅藻土助濾劑的孔結構特性以及吸濕、放濕性能進行了系統的研究,得出了材料吸濕及放濕曲線,并對其孔結構特性、微觀形貌與其調濕性能的關系進行了分析。

2　實　驗

2.1實驗原料

硅藻精土為二、三級硅藻土經物理選礦提純后的精土產品，由臨江北峰硅藻土有限公司提供；酸浸硅藻土制備工藝為：稱取一定量硅藻精土，在450 ℃的條件下保溫2 h，按液固比3∶1量取72%硫酸和煅燒硅藻土，在95 ℃的水浴條件下攪拌2 h，將物料抽濾、烘干；硅藻土助濾劑由臨江市某助濾劑有限公司提供。三種硅藻土樣品的主要化學組成見表1。

表1主要化學組成

Tab.1The main chemical composition/wt%

SiO2Al2O3Fe2O3MgOCaO燒失量硅藻精土86.973.762.130.230.355.41酸浸硅藻土90.702.650.660.110.373.91助濾劑93.011.331.270.110.250.77

2.2實驗儀器

采用日本日立公司的S-3500N掃描電子顯微鏡(FESEM)觀察樣品形貌特征和顆粒尺寸；采用北京精微高博科學技術有限公司的JW-BK靜態氮吸附儀對材料的比表面積、孔徑分布、孔體積等孔結構信息進行表征；采用東莞市科文試驗設備有限公司的KW-TH-225Z型可程式恒溫恒濕試驗箱測定材料的調濕(吸濕和放濕)性能。

3　結果與討論

3.1掃描電鏡分析

圖1　樣品掃描電鏡圖(a) 臨江硅藻精土;(b) 酸浸硅藻土;(c)硅藻土助濾劑Fig.1　SEM images of materials

圖1a、 b、c分別為硅藻精土、酸浸硅藻土、硅藻土助濾劑的掃描電鏡圖。從a中可以看出硅藻主要以圓盤藻為主，圓盤直徑約為40 μm左右，大孔孔徑為0.4 μm左右，經提純后硅藻表面雜質較少。b表明經過酸浸，硅藻土圓盤上的雜質得到進一步去除，硅藻盤體中間的孔已全部顯露出來，孔徑為0.4 μm左右。c表明助濾劑硅藻的邊緣已被熔融，硅藻土圓盤體中部分孔因高溫熔融坍塌而出現堵塞，孔形狀不規則，大小各異，孔徑約為0.5 μm左右。

3.2孔結構特性分析

國際理論與應用化學協會所劃分的(IUPAC)5種典型等溫吸附線反映了吸附劑不同的表面性質、孔分布性質以及吸附質與吸附劑相互作用的性質，吸附劑等溫吸附線類型一定程度上可直觀反映出自身的孔道結構[5]。圖2a、 b、c分別為硅藻精土、酸浸硅藻土、硅藻土助濾劑的氮氣吸附-脫附曲線。由圖2a及2b可見，硅藻精土和酸浸硅藻土屬于IUPAC曲線分類中的第Ⅱ類曲線，在低壓區(0～0.1)范圍內，吸附量急劇增大，說明材料中含有大量的微孔，吸附與脫附曲線基本重疊，無滯后環，因此硅藻精土和酸浸硅藻土內部孔屬于兩端開口型。硅藻精土的吸附孔徑分布較分散，吸附孔徑為5.82 nm，孔體積為0.0362 cm3/g；酸浸硅藻土的吸附孔徑集中在2.5 nm左右，吸附孔徑為5.53 nm，孔體積為0.0427 cm3/g。助濾劑的吸附等溫線屬于第Ⅲ類吸附曲線，沒有出現拐點，表明吸附劑與吸附質之間的作用很弱，在中壓區(0.2～0.8)范圍內出現了較大的滯后環，因此助濾劑存在分布不均的介孔。由BET法計算得到的3種硅藻土的比表面積見表2。

圖2　樣品孔徑圖(a)臨江硅藻精土;(b)酸浸硅藻土;(c)硅藻土助濾劑Fig.2　Pore size images of materials

表2　硅藻土的比表面積、孔體積、孔徑

圖3　不同硅藻土調濕性能Fig.3　Humidity controlling of different diatomite

3.3調濕性能分析

圖3表明，在相對濕度為70%的條件下，酸浸硅藻土的吸濕速率最快，平衡吸濕量最大；硅藻土助濾劑吸濕量隨時間變化不大，呈直線型，表明硅藻土助濾劑基本不具備吸濕性。硅藻精土的放濕速率小于酸浸硅藻土，但平衡放濕量(0.778%)大于酸浸硅藻土(0.479%)；硅藻土助濾劑放濕曲線為一條直線，基本不具備放濕性。

圖4　材料的比表面積和吸濕量對應關系Fig.4　The relationship between specific surface area and humidity absorption quantity

圖5　材料的孔體積和吸濕量對應關系Fig.5　The relationship between pore volume and humidity absorption quantity

3.4材料的孔結構特性對吸濕性能的影響

圖4～6為70%濕度下材料平衡吸濕量與比表面積、孔體積、平均孔徑的關系曲線。在RH=70%的條件下，硅藻土平衡吸濕量隨比表面積、孔體積的增大而增大；隨著孔徑的增大，毛細凝聚作用越弱，吸濕量越低。

圖6　材料的平均孔徑和吸濕量對應關系Fig.6　The relationship between pore size and humidity absorption quantity

圖7　材料的比表面積和放濕量對應關系Fig.7　The relationship between specific surface area and humidity desorption quantity

3.5材料的孔結構特性對放濕性能的影響

圖7～9為45%濕度下材料平衡放濕量與比表面積、孔體積、平均孔徑的關系曲線。材料的放濕量在濕度為45%下隨比表面積、孔體積和平均孔徑均表現為先增大后減小的趨勢。

圖8　材料的孔體積和放濕量對應關系Fig.8　The relationship between pore volume and humidity desorption quantity

圖9　材料的平均孔徑和放濕量對應關系Fig.9　The relationship between pore size and humidity desorption quantity

4　結　論

(1)硅藻土的吸濕能力普遍優于其放濕能力，在2 h左右達到吸放濕平衡。在70%濕度下，酸浸硅藻土吸濕速率及平衡吸濕量(3.01%)均優于物理選礦硅藻精土和硅藻土助濾劑；在45%濕度下，物理選礦硅藻精土放濕速率不如酸浸硅藻土，但具有最大平衡放濕量。助濾劑吸放濕量最小，調濕性能最差。

(2)在70%的濕度下，硅藻土平衡吸濕量隨比表面積的增大而增大，隨其平均孔徑的增大而降低；在45%的濕度下，平衡放濕量隨比表面積、孔體積和平均孔徑的增大均表現為先增大后減小的趨勢。

(3)本文對比了硅藻土三種產物微觀形貌的不同，得出了調試性能的差異，使硅藻土不同產物應用于不同行業需求。

[1]王吉會，王志偉.復合調濕材料的研究進展[J].材料導刊,2007, (6):55-58.

[2]王吉林，王志偉.調濕材料及其發展概況[N].科技資訊,2007,No.25.

[3]賈鳳梅，陳俊濤，黃鵬.硅藻土的加工與應用現狀[J].中國非金屬礦工業導刊,2006,54:55-58.

[4]鄭水林,孫志明,胡志波.中國硅藻土資源及加工利用現狀與發展趨勢[J].地學前緣,2014,21(5):274-280.

[5]嚴繼民,張啟元,高敬琮.吸附與凝聚(第二版)[M].北京:科學技術出版社,1986,97-112.

Effect of the Pore Structure Characteristics of Diatomite on the Properties of Humidity Controlling

YINSheng-nan，HUZhi-bo，YANYang，ZHENGShui-lin

(School of Chemical and Environmental Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

The pore structure character and moisture absorption-desorption properties of materials purified diatomite from Linjiang, diatomite after acid leaching and diatomite filter aids were studied in this paper, and the relationship and influence between pore structure of diatomite and humidity-control performance are obtained. The results show that the mass of humidity absorption of three diatomite is generally greater than its quantity of humidity-desorption, and the balance humidity absorption of diatomite after acid leaching is higher. Under the low-humidity environment of 70%, the balance humidity absorption quantity increases with the increase of the specific surface area and pore volume,and with the decrease of average pore size; the balance humidity desorption increases first and then decreases with the increase of the specific surface area, pore volume and average pore diameter.

diatomite;specific surface area;pore structure;humidity controlling

尹勝男(1991-)，女，碩士研究生.主要從事非金屬礦物材料方面的研究.

鄭水林，教授.

TD985

A

1001-1625(2016)05-1433-05