铝在硅藻蛋白石结构中的赋存及其对微结构、表面性质的影响机理研究

Diatomaceous opal, a natural biogenic mineral, is the main mineral composition of diatomaceous earth (diatomite). Diatomaceous opal is considered to be only composed of SiO2 for a long time. Actually, aluminum (Al) is found in the structure of diatomaceous opal besides Si and O. The existence of Al shows the significant effect on the microstructure (such as microporosity and the size and arrangement of SiO2 balls), the surface property of diatomaceous opal (the surface electrical property and solid acidity), and further advanced application as the mineral materials. Nevertheless, less attention has been paid to the occurrence of Al in diatomaceous opal. In this study, several diatomaceous opal samples with different origins of diatom species are to be selected by purification of diatomaceous earth obtained from Jilin, Shandong, Zhejiang provinces. And the original diatoms are to be cultured and the corresponding diatom shells (diatomaceous opal) with/without Al will be collected. By comparison of the above mentioned diatomaceous opal samples, the content and modes of occurrence of structural Al are investigated and its influence mechanism on the microstructure and surface property of diatomaceous opal are explored, combined spectrometric measurement with electron microscopy analysis. The results will be in favor of the further understanding of the mineral characters and geochemical behavior of diatomaceous opal, and provide the key theory and experimental basis for application of diatomaceous opal as the advanced mineral materials. Consequently, there exists of significant research meanings.

硅藻蛋白石是一种生物起源的天然氧化硅矿物，是硅藻土的主要矿物成分。长期以来，硅藻蛋白石被认为是一种"纯相二氧化硅"，而实际上，硅藻蛋白石中存在一定数量的铝。这些铝元素的赋存对硅藻蛋白石的微结构（包括微孔结构和二氧化硅小球尺寸、排列方式等）及表面性质（表面荷电性和固体酸性等）有重要影响，并进一步影响着硅藻蛋白石作为高端矿物材料的应用。本项目拟以提取自吉林、山东、浙江等地硅藻土中的纯相硅藻蛋白石，以及通过实验室生物培养所得纯硅（或含铝）硅藻蛋白石为对象，开展对比研究，采用矿物谱学、微区分析等方法研究硅藻蛋白石结构中铝的赋存量和赋存形式，探讨其对硅藻蛋白石微结构和表面性质的影响与相关机理。所获成果将显著提升对硅藻蛋白石矿物结构和性质及其地球化学行为的认识，并为其作为高端矿物材料的相关应用提供关键的理论基础和实验依据，因此具有重要的研究意义。

硅藻蛋白石是一种生物起源天然矿物。长期以来，硅藻蛋白石被认为是一种“纯相二氧化硅”，而实际上，硅藻蛋白石中存在一定数量的铝。这些铝元素的赋存对硅藻蛋白石的微结构及表面性质有重要影响，并进一步影响着硅藻蛋白石作为高端矿物材料的应用。然而铝的来源及其对硅藻蛋白石矿物学性质的影响机制尚不明确。因此，本项目从上述两方面入手，探明了硅藻蛋白石中铝赋存的相关矿物学基础问题。. 本项目以提取的纯相硅藻蛋白石和实验室生物培养所得纯硅（或含铝）硅藻蛋白石为对象，探明了①硅藻蛋白石中铝的来源机制：硅藻生物活动的摄取和矿物沉积过程中铝通过离子交换及羟基缩合作用进入硅藻蛋白石骨架中；②硅藻蛋白石骨架铝对其孔结构和表面性质的影响机制：铝赋存将降低硅藻小球的尺寸，改变其表面微结构和孔型，且其可大大提高硅藻蛋白石表面固体酸性和荷电性；③硅藻蛋白石表面固体酸性和孔结构的调控机制，进而通过增加酸位的方式研发出新型的硅藻蛋白石固体酸催化材料；利用硅藻蛋白石固体酸性原位催化制备出硅藻蛋白石基多孔炭和介孔性棒状沸石以及通过表面沸石化和硅烷化制备了硅藻蛋白石基多孔硅吸附材料。 . 上述结果明确了硅藻蛋白石结构中铝的来源和赋存形式，探明了其对硅藻蛋白石微结构和表面性质的影响与相关机理，这就对硅藻蛋白石的矿物学性质有了更为深入的认识。其还进一步阐明了硅藻蛋白石的表面性质和结构调控微观机制，这就为其作为高端矿物材料的相关应用提供了关键的基础性实验数据。综上所述，本研究为硅藻蛋白石矿物学研究的深入与应用的拓展提供了依据。