硅藻土的孔结构特性对吸湿和放湿性能的影响

尹胜男，胡志波，演　阳，郑水林

(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京　100083)



硅藻土的孔结构特性对吸湿和放湿性能的影响

尹胜男，胡志波，演阳，郑水林

(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京100083)

通过对临江硅藻精土、酸浸硅藻土和硅藻土助滤剂的孔结构特性以及吸湿、放湿性能进行研究，得出了硅藻土孔结构特性与其调湿性能关系及其影响规律。结果表明：相同材料的吸湿量大于其放湿量，酸浸硅藻土的平衡吸湿量较高，在湿度70%环境下的平衡吸湿量随其比表面积、孔体积的增大而增加，随平均孔径的增大而降低；平衡放湿量随比表面积、孔体积和平均孔径的增大均表现为先增大后减小的趋势。

硅藻土； 比表面积； 孔结构特性； 调湿性能

1　引　言

空气湿度是一个重要的环境参数，相对湿度与人们生活生产密切相关，相对湿度的调节对于改善人居环境、植物的健康生长、提高物品(食品、药品、文物)的保存质量、仪器的正常运行以及维持生态环境的可持续发展都具有重要意义[1]。

调湿材料是指依靠自身的吸放湿性能，感应所调空间湿度的变化，自动调节空气相对湿度的材料。当空间湿度较高时，调湿材料能够吸附环境中的水蒸气，使空间的湿度降低；当空间的湿度较低时，材料将释放出自身吸附的水蒸气，增加空间的相对湿度，从而保证环境空间湿度的相对恒定[2]。

纯净的硅藻土一般呈白色土状，含杂质时，常被铁的氧化物或有机质污染而呈灰白、黄、灰、绿以致黑色，质软而轻。由于硅藻壳体具有数量2～2.5亿个/g天然纳米微孔，孔径7～125 nm且分布有规律，具有很强的吸附力及较大的吸附容量，能吸收自身质量3～4倍的水，而且具有坚固、隔音、隔热、耐磨、耐酸和热传导性低等特性[3,4]。本文对三种不同的硅藻土原料：临江硅藻精土、酸浸硅藻土和硅藻土助滤剂的孔结构特性以及吸湿、放湿性能进行了系统的研究,得出了材料吸湿及放湿曲线,并对其孔结构特性、微观形貌与其调湿性能的关系进行了分析。

2　实　验

2.1实验原料

硅藻精土为二、三级硅藻土经物理选矿提纯后的精土产品，由临江北峰硅藻土有限公司提供；酸浸硅藻土制备工艺为：称取一定量硅藻精土，在450 ℃的条件下保温2 h，按液固比3∶1量取72%硫酸和煅烧硅藻土，在95 ℃的水浴条件下搅拌2 h，将物料抽滤、烘干；硅藻土助滤剂由临江市某助滤剂有限公司提供。三种硅藻土样品的主要化学组成见表1。

表1主要化学组成

Tab.1The main chemical composition/wt%

SiO2Al2O3Fe2O3MgOCaO烧失量硅藻精土86.973.762.130.230.355.41酸浸硅藻土90.702.650.660.110.373.91助滤剂93.011.331.270.110.250.77

2.2实验仪器

采用日本日立公司的S-3500N扫描电子显微镜(FESEM)观察样品形貌特征和颗粒尺寸；采用北京精微高博科学技术有限公司的JW-BK静态氮吸附仪对材料的比表面积、孔径分布、孔体积等孔结构信息进行表征；采用东莞市科文试验设备有限公司的KW-TH-225Z型可程式恒温恒湿试验箱测定材料的调湿(吸湿和放湿)性能。

3　结果与讨论

3.1扫描电镜分析

图1　样品扫描电镜图(a) 临江硅藻精土;(b) 酸浸硅藻土;(c)硅藻土助滤剂Fig.1　SEM images of materials

图1a、 b、c分别为硅藻精土、酸浸硅藻土、硅藻土助滤剂的扫描电镜图。从a中可以看出硅藻主要以圆盘藻为主，圆盘直径约为40 μm左右，大孔孔径为0.4 μm左右，经提纯后硅藻表面杂质较少。b表明经过酸浸，硅藻土圆盘上的杂质得到进一步去除，硅藻盘体中间的孔已全部显露出来，孔径为0.4 μm左右。c表明助滤剂硅藻的边缘已被熔融，硅藻土圆盘体中部分孔因高温熔融坍塌而出现堵塞，孔形状不规则，大小各异，孔径约为0.5 μm左右。

3.2孔结构特性分析

国际理论与应用化学协会所划分的(IUPAC)5种典型等温吸附线反映了吸附剂不同的表面性质、孔分布性质以及吸附质与吸附剂相互作用的性质，吸附剂等温吸附线类型一定程度上可直观反映出自身的孔道结构[5]。图2a、 b、c分别为硅藻精土、酸浸硅藻土、硅藻土助滤剂的氮气吸附-脱附曲线。由图2a及2b可见，硅藻精土和酸浸硅藻土属于IUPAC曲线分类中的第Ⅱ类曲线，在低压区(0～0.1)范围内，吸附量急剧增大，说明材料中含有大量的微孔，吸附与脱附曲线基本重叠，无滞后环，因此硅藻精土和酸浸硅藻土内部孔属于两端开口型。硅藻精土的吸附孔径分布较分散，吸附孔径为5.82 nm，孔体积为0.0362 cm3/g；酸浸硅藻土的吸附孔径集中在2.5 nm左右，吸附孔径为5.53 nm，孔体积为0.0427 cm3/g。助滤剂的吸附等温线属于第Ⅲ类吸附曲线，没有出现拐点，表明吸附剂与吸附质之间的作用很弱，在中压区(0.2～0.8)范围内出现了较大的滞后环，因此助滤剂存在分布不均的介孔。由BET法计算得到的3种硅藻土的比表面积见表2。

图2　样品孔径图(a)临江硅藻精土;(b)酸浸硅藻土;(c)硅藻土助滤剂Fig.2　Pore size images of materials

表2　硅藻土的比表面积、孔体积、孔径

图3　不同硅藻土调湿性能Fig.3　Humidity controlling of different diatomite

3.3调湿性能分析

图3表明，在相对湿度为70%的条件下，酸浸硅藻土的吸湿速率最快，平衡吸湿量最大；硅藻土助滤剂吸湿量随时间变化不大，呈直线型，表明硅藻土助滤剂基本不具备吸湿性。硅藻精土的放湿速率小于酸浸硅藻土，但平衡放湿量(0.778%)大于酸浸硅藻土(0.479%)；硅藻土助滤剂放湿曲线为一条直线，基本不具备放湿性。

图4　材料的比表面积和吸湿量对应关系Fig.4　The relationship between specific surface area and humidity absorption quantity

图5　材料的孔体积和吸湿量对应关系Fig.5　The relationship between pore volume and humidity absorption quantity

3.4材料的孔结构特性对吸湿性能的影响

图4～6为70%湿度下材料平衡吸湿量与比表面积、孔体积、平均孔径的关系曲线。在RH=70%的条件下，硅藻土平衡吸湿量随比表面积、孔体积的增大而增大；随着孔径的增大，毛细凝聚作用越弱，吸湿量越低。

图6　材料的平均孔径和吸湿量对应关系Fig.6　The relationship between pore size and humidity absorption quantity

图7　材料的比表面积和放湿量对应关系Fig.7　The relationship between specific surface area and humidity desorption quantity

3.5材料的孔结构特性对放湿性能的影响

图7～9为45%湿度下材料平衡放湿量与比表面积、孔体积、平均孔径的关系曲线。材料的放湿量在湿度为45%下随比表面积、孔体积和平均孔径均表现为先增大后减小的趋势。

图8　材料的孔体积和放湿量对应关系Fig.8　The relationship between pore volume and humidity desorption quantity

图9　材料的平均孔径和放湿量对应关系Fig.9　The relationship between pore size and humidity desorption quantity

4　结　论

(1)硅藻土的吸湿能力普遍优于其放湿能力，在2 h左右达到吸放湿平衡。在70%湿度下，酸浸硅藻土吸湿速率及平衡吸湿量(3.01%)均优于物理选矿硅藻精土和硅藻土助滤剂；在45%湿度下，物理选矿硅藻精土放湿速率不如酸浸硅藻土，但具有最大平衡放湿量。助滤剂吸放湿量最小，调湿性能最差。

(2)在70%的湿度下，硅藻土平衡吸湿量随比表面积的增大而增大，随其平均孔径的增大而降低；在45%的湿度下，平衡放湿量随比表面积、孔体积和平均孔径的增大均表现为先增大后减小的趋势。

(3)本文对比了硅藻土三种产物微观形貌的不同，得出了调试性能的差异，使硅藻土不同产物应用于不同行业需求。

[1]王吉会，王志伟.复合调湿材料的研究进展[J].材料导刊,2007, (6):55-58.

[2]王吉林，王志伟.调湿材料及其发展概况[N].科技资讯,2007,No.25.

[3]贾凤梅，陈俊涛，黄鹏.硅藻土的加工与应用现状[J].中国非金属矿工业导刊,2006,54:55-58.

[4]郑水林,孙志明,胡志波.中国硅藻土资源及加工利用现状与发展趋势[J].地学前缘,2014,21(5):274-280.

[5]严继民,张启元,高敬琮.吸附与凝聚(第二版)[M].北京:科学技术出版社,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

尹胜男(1991-)，女，硕士研究生.主要从事非金属矿物材料方面的研究.

郑水林，教授.

TD985

A

1001-1625(2016)05-1433-05