我國硅藻土礦利用現(xiàn)狀及開發(fā)利用對策

李志威，王 鴿，李忠水，王 宏, 郭 霞，趙 琪，南 瑤

(1.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)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；3.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心吉林總隊，吉林 長春 130033)

硅藻土是硅藻的遺骸堆積而形成的一種具有多孔性的硅質(zhì)巖石[1-2]，化學成分以SiO2為主，可用SiO2·nH2O表示，礦物成分為蛋白石及其變種[3]。主要分布在美國、中國、日本、丹麥、法國、羅馬尼亞等國。硅藻土因其良好的物理和化學特性，廣泛應用于食品、醫(yī)藥、環(huán)保以及生態(tài)建材、催化劑與農(nóng)藥載體、瀝青改性劑、復合材料等領域[4]，是一種與現(xiàn)代食品安全、生物制藥、健康環(huán)保、節(jié)能等相關的重要非金屬礦產(chǎn)資源與功能礦物材料。

本文對我國硅藻土資源進行調(diào)研分析，從資源分布及硅藻土性能等方面對我國硅藻土特點進行闡述；從我國硅藻土市場產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及主要地區(qū)產(chǎn)業(yè)情況對市場現(xiàn)狀進行分析，總結(jié)我國硅藻土消費結(jié)構，提出硅藻土市場開發(fā)利用存在問題，并提出產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議。伴隨我國節(jié)能、環(huán)保要求的提高，以及工業(yè)發(fā)展、人民生活水平提高和硅藻土產(chǎn)業(yè)自身的技術進步，為我國硅藻土產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供良好的發(fā)展機會。

1 我國硅藻土資源特點

據(jù)統(tǒng)計，全球122個國家和地區(qū)都有硅藻土資源，儲量約28億t；其中美國是世界上最大的硅藻土儲量國[5]，硅藻土儲量約為6.8億t，占世界總量的24.2%；中國僅次于美國，硅藻土儲量約占全球總量的20%左右，位列世界第二。近年來，在阿爾及利亞、阿曼、新西蘭和贊比亞等地陸續(xù)發(fā)現(xiàn)新的硅藻土資源。在全球硅藻土資源中，僅有美國加利福尼亞州的羅姆波克礦床、中國吉林省長白的馬鞍山礦床和西大坡礦床，可不經(jīng)選礦直接加工生產(chǎn)硅藻土助濾劑[6]。

1.1 資源分布

我國已探明儲量5.13億t，遠景儲量超過20億t，主要分布在吉林、內(nèi)蒙古、浙江、云南等地[7-8]，其中吉林省探明儲量約3.56億t，占全國探明儲量的70%，吉林長白山地區(qū)遠景儲量超過6億t；云南省探明儲量0.82億t，約占全國探明儲量的16%；浙江省探明儲量0.43億t，約占全國探明儲量的8%。吉林、云南、浙江三省的探明儲量約占我國探明儲量的90%；四川、內(nèi)蒙古等其余省區(qū)約占10%。

1.2 資源類型

根據(jù)硅藻土中硅藻含量及其特征礦物共生情況，可將硅藻土類型劃分為高純硅藻土、粘土質(zhì)硅藻土、高燒失量硅藻土、高鈣硅藻土和高油硅藻土五種類型。

從品質(zhì)上看，我國硅藻土礦石以含粘土硅藻土和粘土質(zhì)硅藻土為主，硅藻含量大多在80%以下(表1)。

表1 硅藻土類型特征

我國優(yōu)勢硅藻土資源主要集中于吉林長白，有I級硅藻原土，且資源儲量較大，其他地區(qū)硅藻土為Ⅱ級、Ⅲ級土。吉林省硅藻土礦主要分布在臨江、長白、撫松、靖宇、延邊敦化、通化梅河口等地，但優(yōu)質(zhì)硅藻土主要分布于臨江—長白地區(qū)，是國內(nèi)硅藻土資源儲量最大的礦區(qū)，也是國內(nèi)優(yōu)質(zhì)硅藻土資源的集中地。截止2017年底，臨江—長白地區(qū)累計查明資源儲量超3億t，查明資源儲量占全省的89.76%。Ⅰ級品和Ⅱ級品主要分布于臨江—長白地區(qū)，資源儲量約0.80億t，占資源儲量的23.28%，其中，臨江市Ⅰ+Ⅱ級硅藻土資源儲量3 200萬t左右，長白縣Ⅰ+Ⅱ級硅藻土4 800萬t左右。其他地區(qū)均為Ⅱ級、Ⅲ級品和Ⅳ級品。

硅藻土中的其他礦物成分主要包括粘土礦物(高嶺石、蒙脫石、水云母等)、碎屑礦物(石英、長石、云母等)、自生礦物(黃鐵礦、方解石、白云石等)和有機質(zhì)，這些礦物成分的含量因礦石類型而不盡相同。雜質(zhì)礦物的存在，不僅影響硅藻土的物理化學性質(zhì)，而且還直接影響它的過濾性能(如減小孔隙率及孔體積等)。硅藻土中的鐵、鈣等有害成分含量相對較高，以分離狀態(tài)存在，其溶出率較高，許多飲料、酒類過濾時，鐵溶出量高會影響產(chǎn)品的口感和風味。硅藻土中方石英含量過高，也影響硅藻土的助濾性能。所以，應盡可能地去掉硅藻土中所含的雜質(zhì)，提高其SiO2純度，硅藻土的純度越高，應用性能越好。

1.3 硅藻土的性能

硅藻土是一種單細胞藻類，其形狀極為細小，一般只有幾微米到幾十微米[12]。顏色為白色、灰白色和淺褐灰色等，主要物理性能是松散、質(zhì)輕、多孔和滲透性強，熱穩(wěn)定性好，化學穩(wěn)定性好，而且是熱、電、聲的不良導體[13]。其短程有序的微孔結(jié)構及活性二氧化硅組分，賦予了硅藻土獨特的吸附凈化、保溫隔熱、吸聲降噪、助濾/過濾等功能。充分利用硅藻土的天然特性，使其在助濾劑、涂料、填料、載體、保溫隔熱、建材等行業(yè)被廣泛使用，并逐漸發(fā)展成為新興產(chǎn)業(yè)不可替代的原材料。

根據(jù)硅藻殼片的大小、形態(tài)和孔結(jié)構等特征進行硅藻種屬分類，可細分為2個目16個科。我國主要藻類為圓盤藻、小環(huán)藻和冠盤藻(圖1a、b)、圓篩藻(圖1b)、管狀藻(圖1c)、直鏈藻(圖1d)等。吉林、山東、浙江、四川以中心硅藻綱為主，這種硅藻土用作催化劑載體性能較差，可以用作助濾劑、保溫隔熱材料和各種填料、研磨料等方面；云南騰沖以羽紋綱的硅藻為主，這種硅藻土經(jīng)煅燒后，可以制作不同型號助濾劑；內(nèi)蒙古以管狀硅藻土為主，這種硅藻殼對催化劑有很好的承載性和透氣性，所以它是用作催化載體的優(yōu)質(zhì)原料[14-16]。

圖1 電子顯微鏡下硅藻結(jié)構形態(tài)

長白馬鞍山、臨江六道溝的硅藻土硅藻屬種以小環(huán)藻、圓篩藻為主，都以堆密度小、孔體積小、比表面積小、孔半徑大為特征，是用作助濾劑的優(yōu)質(zhì)材料。白山地區(qū)的硅藻土性能最獨特，可用于生產(chǎn)各類硅藻土產(chǎn)品，但最具競爭力的領域是助濾材料，也是目前國內(nèi)外硅藻土的主導性應用領域，其附加值也最高，其他填料、保溫材料等領域也有應用，但主要采用Ⅱ級及以下土。

2 我國硅藻土產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

2.1 硅藻土產(chǎn)業(yè)狀況

自20世紀60年代，經(jīng)過近六十年的發(fā)展，我國已形成僅次于美國規(guī)模的硅藻土加工利用產(chǎn)業(yè)鏈。目前有吉林、浙江、云南三大生產(chǎn)基地，硅藻土市場主要是過濾材料和保溫材料。在產(chǎn)品結(jié)構上，吉林以生產(chǎn)助濾劑為主導產(chǎn)品，浙江以生產(chǎn)保溫材料為主導產(chǎn)品，云南以生產(chǎn)低端助濾劑、保溫材料、填料和輕型墻體材料為主導產(chǎn)品。

從國內(nèi)產(chǎn)量來看，近年來我國硅藻土產(chǎn)量逐年增長，截至2019年我國硅藻土產(chǎn)量為42萬t，同比增長1.2%(圖2)。

圖2 2015～2019年我國硅藻土產(chǎn)量及增速

硅藻土應用于助濾劑、保溫材料、建筑、造紙、填料、催化劑、土壤治理、硅藻泥、醫(yī)藥等眾多領域，具有廣闊的應用前景，但部分應用領域還沒有大規(guī)模開發(fā)利用。

2.2 硅藻土開發(fā)利用情況

(1)吉林硅藻土資源開發(fā)始于20世紀50年代，初期主要用于保溫、耐火材料；70年代開始研制、生產(chǎn)助濾劑和催化劑；80年代開發(fā)出微孔硅酸鈣保溫制品，并進行農(nóng)業(yè)應用研發(fā)。20世紀90年代以來，硅藻土作為一種環(huán)保新型材料，市場需求量不斷加大，吸引了大量科研單位和企業(yè)進行深入研究和產(chǎn)品研發(fā)，硅藻土產(chǎn)業(yè)集中趨勢逐漸顯現(xiàn)。現(xiàn)有兩個省級硅藻土園區(qū)，分別是臨江硅藻土工業(yè)集中區(qū)和長白縣八道溝硅藻土特色工業(yè)園。

目前，吉林白山初步形成以過濾材料、功能填料、生態(tài)建材、載體材料四大類產(chǎn)品為主體的硅藻土產(chǎn)品體系。其中，過濾材料的主導產(chǎn)品助濾劑占全國市場份額超過90%；功能填料，如橡膠補強劑、塑料添加劑、造紙?zhí)砑觿⑤p質(zhì)紙張?zhí)盍稀暳咸砑觿⑾鈩⒒瘖y品和牙膏填料等年產(chǎn)量超5萬t；生態(tài)建材，如硅藻土地板、地磚、涂料、壁紙、瓷磚等，已經(jīng)規(guī)模化生產(chǎn)，發(fā)展前景良好；載體材料，如催化劑載體、納米二氧化鈦載體、肥料和農(nóng)藥載體等，具有釋放緩慢、環(huán)保、土壤不板結(jié)等特點，市場前景廣闊。

(2)云南生產(chǎn)硅藻土相關產(chǎn)品企業(yè)較多，但目前正常營業(yè)的較少。騰沖的硅藻土開采基本為農(nóng)戶小規(guī)模露天開采，根據(jù)當?shù)卣h(huán)保要求，騰沖的硅藻土深加工企業(yè)基本已經(jīng)停滯，騰沖基本無產(chǎn)品流出或是白山企業(yè)代加工。云南尋甸縣硅藻土企業(yè)主要產(chǎn)品有路用硅藻土、助濾劑、保溫材料、農(nóng)藥載體、橡膠補強劑等，其中農(nóng)藥載體、污水處理劑少量應用，沒有形成較大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)鏈，再加上當?shù)氐沫h(huán)保政策，云南的硅藻土只有零星產(chǎn)品。

(3)浙江由于當?shù)丨h(huán)保政策原因，硅藻土企業(yè)基本已整合，大部分被關停，生產(chǎn)線也拆除，嵊州目前只有四家硅藻土企業(yè)。浙江的硅藻土資源品質(zhì)差，只能做保溫板、耐火磚等，不能用于生產(chǎn)助濾劑產(chǎn)品。浙江嵊州的企業(yè)生產(chǎn)助濾劑用的白山硅藻土，年生產(chǎn)1～2萬t，且都是白山當?shù)仄髽I(yè)不做的零星市場，其余都生產(chǎn)填料、保溫板及耐火、隔熱磚等。

(4)內(nèi)蒙古硅藻土屬于“雞窩礦”，開采條件差，能開采出的硅藻土原礦基本為直鏈藻或者管狀藻，品質(zhì)不佳，產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，僅限于板材及部分催化劑產(chǎn)品，市場份額很小。

2.3 硅藻土消費結(jié)構

我國的硅藻土產(chǎn)品主要用于國內(nèi)消費，少量用于出口。我國每年進口少量的高附加值的硅藻土[17]。經(jīng)過60多年的發(fā)展，目前可生產(chǎn)過濾材料、保溫材料、功能填料、建筑材料、催化劑載體和水泥混合材料等制品[18]，應用于食品、醫(yī)藥、化工、建材、環(huán)保、石油、冶金、造紙、橡膠、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)等行業(yè)，產(chǎn)品達500余種之多，尤其是在過濾材料、吸附凈化、功能填料、土壤改良等領域前景廣闊(表2)，硅藻土資源的重要性逐步顯現(xiàn)，并形成了吉林、浙江和云南三大硅藻土基地。

表2 我國硅藻土主要產(chǎn)品及應用領域

我國硅藻土資源主要用于過濾材料和保溫材料。其中助濾劑是硅藻土最主要的用途和主流產(chǎn)品，助濾劑產(chǎn)量一般占到硅藻土總銷量的65%；填料、磨料約占硅藻土總產(chǎn)量的13%，吸附凈化材料約占總產(chǎn)量的16%，土壤改良及肥料約占總產(chǎn)量的5%，其他約為1%。以市場銷售量為依據(jù)，2018年我國硅藻土各類產(chǎn)品的銷售量見表3。

表3 2018年硅藻土各類產(chǎn)品的銷售量

總體來說，我國的硅藻土產(chǎn)量呈現(xiàn)穩(wěn)中有升的趨勢，主要涉及助熔煅燒品、低溫煅燒品、非煅燒品、非煅燒造粒等。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，城市化的進程，我國對硅藻土資源需求力度正在加大，自1994～2019年我國的硅藻土表觀消費量逐年增加。

3 開發(fā)利用存在的問題

我國自20世紀50年代應用硅藻土資源以來，硅藻土的綜合利用能力逐步提高。盡管產(chǎn)業(yè)取得了長足的發(fā)展，但仍處在初級階段，基本特點是技術水平低，產(chǎn)品加工程度低，市場單一，企業(yè)規(guī)模小，處于資源密集型的粗放式經(jīng)營狀態(tài)，與國外仍有較大差距(表4)。

表4 國內(nèi)外硅藻土產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀對比

(1)資源綜合利用低。

我國硅藻土資源儲量大，尤其吉林白山硅藻土以品質(zhì)好而聞名。白山市I級硅藻土(SiO2≥85%)約占總量的20%～25%，II級、III級土占總量的65%～70%。II級、III級土分別位于I級土的上下兩層，目前由于市場需求、技術水平有限，II級、III級土的利用偏低，導致礦山開采企業(yè)主要開采I級土，而將II級、III級土不開采，導致了大量的II級、III級土遺棄在礦層中，由于礦層坍塌，如果到I級土開發(fā)殆盡后再回來開采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(fā)綜合利用率低，沒有形成統(tǒng)一、規(guī)范的資源保護性開發(fā)總體設計。

(2)產(chǎn)業(yè)結(jié)構不合理。

生產(chǎn)企業(yè)以小規(guī)模的民營企業(yè)為主，在全國范圍內(nèi)尚未形成占有較大市場份額的硅藻土加工及制品企業(yè)集團，尚未形成適應現(xiàn)代市場經(jīng)濟和社會發(fā)展要求的規(guī)模化、集約化生產(chǎn)方式，屬于資源開發(fā)型企業(yè)。

(3)產(chǎn)品結(jié)構不合理。

硅藻土企業(yè)仍以原料采掘和初加工的生產(chǎn)模式為主，制品助濾劑為主，產(chǎn)品趨同嚴重，導致了產(chǎn)品供大于求。技術含量較高的深加工產(chǎn)品所占比重偏小，出口仍以原礦和初加工產(chǎn)品為主，不能完全滿足現(xiàn)代高新技術和新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求，市場競爭能力差。

(4) 技術與裝備落后。

我國硅藻土深加工工藝及技術裝備相對落后，加工的產(chǎn)品檔次偏低，達不到國外同類產(chǎn)品的性能指標，且資源浪費和生態(tài)破壞現(xiàn)象嚴重。

(5) 研究發(fā)展滯后。

硅藻土新材料，特別是環(huán)境與健康功能材料、能源材料、生化功能材料等，品種偏少，功能性能與國外先進產(chǎn)品存在較大差距，技術和產(chǎn)品標準配套落后。多年來，國家對非金屬礦行業(yè)投入少，技術研發(fā)水平低。多數(shù)硅藻土企業(yè)沒有研發(fā)機構，缺少研發(fā)人員，基礎研究工作薄弱，制約了硅藻土產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

4 開發(fā)利用對策建議

(1)提高硅藻土綜合利用，挖掘潛在市場。資源綜合利用是推動行業(yè)發(fā)展的內(nèi)在動力，對II級、III級級硅藻土資源的綜合利用提出強制性要求，挖掘硅藻土等優(yōu)勢資源潛力，擴大應用范圍，提高應用層次。限制硅藻土原礦外運加工，促進硅藻土產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

(2)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構，推進礦業(yè)企業(yè)整合。調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局，引進開發(fā)戰(zhàn)略投資者，推進礦業(yè)企業(yè)資源整合。通過建設綠色礦山，逐步淘汰技術落后、產(chǎn)品附加值低的小企業(yè)，促進硅藻土資源的優(yōu)化配置和產(chǎn)業(yè)發(fā)展要素的優(yōu)化組合。

(3)強化產(chǎn)品科研攻關，促進產(chǎn)品升級。支持和鼓勵產(chǎn)業(yè)龍頭企業(yè)的技術改造和產(chǎn)品升級，提升產(chǎn)品附加值。創(chuàng)新硅藻土潛在市場，推進精細生產(chǎn)、精深加工，形成硅藻土系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈，延伸和拓展應用領域，促進更大的協(xié)同效益。

(4)完善人才引進，培養(yǎng)激勵機制。校企聯(lián)合、企企聯(lián)合，加快引進、培養(yǎng)高層次創(chuàng)新人才，在企業(yè)內(nèi)部培育一支基礎理論扎實、學術造詣深厚、勇于開拓創(chuàng)新、結(jié)構合理并充滿活力的開拓型科研隊伍。