Диатомовая земля: состав, свойства и применение.

Введение

Мягкая кремнистая осадочная порода.

Диатомовая земля (diatomaceous earth, /d//aɪ//.//ə//t//ə/'/m//eɪ//ʃ//ə//s/ DYətəMAYshəs), диатомит (/d//aɪ/'/æ//t//ə//m//aɪ//t/ dyATəmyte), целит или кизельгур/кизельгур – это природная, мягкая кремнистая осадочная порода, которую можно измельчить в мелкий порошок от белого до слегка белого цвета. Размер частиц варьируется от более 3 мм до менее 1 мкм, но обычно составляет от 10 до 200 мкм. В зависимости от зернистости, этот порошок может обладать абразивными свойствами, схожими с порошком пемзы, и имеет низкую плотность из-за высокой пористости. Типичный химический состав диатомовой земли, высушенной в печи, составляет 80–90% диоксида кремния, 2–4% оксида алюминия (в основном обусловленного глинистыми минералами) и 0,5–2% оксида железа. Диатомовая земля состоит из окаменелых остатков диатомей – одноклеточных водорослей с кремнистым панцирем. Она используется в качестве фильтрующей добавки, мягкого абразива в составе полиролей для металлов и зубной пасты, механического инсектицида, абсорбента для жидкостей, матирующего агента для покрытий, армирующего наполнителя в пластмассах и резине, антиблокатора для пластиковых пленок, пористого носителя для химических катализаторов, наполнителя для кошачьих туалетов, активатора в исследованиях коагуляции, стабилизирующего компонента динамита, теплоизоляционного материала, а также в качестве почвы для комнатных растений и деревьев, например, в искусстве бонсай. Она также применяется в газовой хроматографии в качестве стационарной фазы в колонках, изготовленных из стекла или металла.

Состав

Каждое залегание диатомовой земли уникально и характеризуется различным сочетанием чистой диатомовой земли с другими природными глинами и минералами.

Формирование

Диатомит образуется в результате накопления аморфного кремнезёма (опал, SiO2 * nH2O) – остатков мёртвых диатомей (микроскопических одноклеточных водорослей) – в озёрных или морских отложениях. Окаменелые остатки состоят из пары симметричных панцирей или фрустул. Диатомеи способны извлекать кремнезём из воды, насыщенной менее чем на 1% аморфным кремнезёмом (индекс насыщения (SI): 2). Фрустулы остаются нерастворёнными благодаря окружающей их органической матрице. Глинистые минералы также могут осаждаться на фрустулах, защищая их от растворения в морской воде. После гибели диатомеи её фрустула лишается органического слоя и подвергается воздействию морской воды. В результате, лишь от 1% до 10% фрустул сохраняются достаточно долго, чтобы быть погребёнными в отложениях, причём часть из них растворяется уже в этих отложениях. В осадочном архиве сохраняется лишь приблизительно 0,05% - 0,15% от первоначального количества кремнезёма, произведённого диатомеями.

Другие депозиты

В Польше месторождения диатомовой земли обнаружены в Яворнике и состоят главным образом из скелетов диатомовых водорослей (фрустулы). В Германии диатомовая земля также добывалась в Альтеншлирфе на Вогельсберге (Верхняя Гессен) и в Клиене (Саксония-Анхальт). В заповеднике Соос в Чехии залегает слой диатомовой земли толщиной более [указать единицу измерения, если она есть в оригинале]. Добыча на острове Скай, у западного побережья Шотландии, велась до 1960 года. В Колорадо и округе Кларк, штат Невада, США, имеются месторождения, достигающие в некоторых местах толщины в несколько сотен метров. Морские отложения разрабатывались в формации Сискок в округе Санта-Барбара, Калифорния, вблизи Ломпока и вдоль побережья Южной Калифорнии. Это крупнейшее в мире месторождение диатомита. Дополнительные морские отложения разрабатывались в Мэриленде, Вирджинии, Алжире и MoClay в Дании. Пресноводные озерные отложения встречаются в Неваде, Орегоне, Вашингтоне и Калифорнии. Озерные отложения также встречаются в межледниковых озерах восточной части Соединенных Штатов, в Канаде и в Европе – в Германии, Франции, Дании и Чешской Республике. Широкая распространенность месторождений диатомита в связи с вулканическими отложениями позволяет предположить, что доступность кремнезема из вулканического пепла может быть необходима для формирования мощных диатомитовых отложений. Кремнистые фрустулы диатомовых водорослей накапливаются в пресных и солоноватых болотах и озерах. Некоторые торфы и иловые отложения содержат достаточное количество фрустул для рентабельной добычи. Большая часть диатомовой земли во Флориде обнаружена в иле болот или озер. Американская корпорация Diatomite с 1935 по 1946 год перерабатывала максимум 145 тонн в год на своем заводе вблизи Клермонта, штат Флорида. Ил из нескольких местоположений в округе Лейк, штат Флорида, высушивался и обжигался (кальцинировался) для получения диатомовой земли. Ранее добыча велась на озере Мюватн в Исландии. Коммерческие месторождения диатомита ограничены третичным или четвертичным периодами. Известны более древние отложения, датируемые меловым периодом, но они характеризуются низким качеством. Богатые ископаемыми отложения диатомита были обнаружены в Новой Зеландии, однако промышленная добыча отложений Фоулден-Маар для переработки в корм для животных вызвала серьезную оппозицию.

In Poland diatomaceous earth deposits are found in Jawornik, and are composed mostly of diatomaceous skeletons (frustules). In Germany, diatomaceous earth was also extracted at Altenschlirf on the Vogelsberg (Upper Hesse) and at Klieken (Saxony Anhalt). There is a layer of diatomaceous earth more than thick in the nature reserve of Soos in the Czech Republic. Deposits on the Isle of Skye, off the west coast of Scotland, were mined until 1960. In Colorado and in Clark County, Nevada, United States, there are deposits that are up to several hundred meters thick in places. Marine deposits have been worked in the Sisquoc Formation in Santa Barbara County, California near Lompoc and along the Southern California coast. This is the world's largest deposit of diatomite. Additional marine deposits have been worked in Maryland, Virginia, Algeria and the MoClay of Denmark. Freshwater lake deposits occur in Nevada, Oregon, Washington and California. Lake deposits also occur in interglacial lakes in the eastern United States, in Canada and in Europe in Germany, France, Denmark and the Czech Republic. The worldwide association of diatomite deposits and volcanic deposits suggests that the availability of silica from volcanic ash may be necessary for thick diatomite deposits. The siliceous frustules of diatoms accumulate in fresh and brackish wetlands and lakes. Some peats and mucks contain a sufficient abundance of frustules such that they can be mined. Most of Florida's diatomaceous earths have been found in the muck of wetlands or lakes. The American Diatomite Corporation, from 1935 to 1946, refined a maximum of 145 tons per year from their processing plant near Clermont, Florida. Muck from several locations in Lake County, Florida was dried and burned (calcined) to produce the diatomaceous earth. It was formerly extracted from Lake Mývatn in Iceland. The commercial deposits of diatomite are restricted to Tertiary or Quaternary periods. Older deposits from as early as the Cretaceous Period are known, but are of low quality. Diatomite deposits rich in fossils have been located in New Zealand, but mining of the Foulden Maar deposits on an industrial scale, for conversion to animal feed, has drawn strong opposition.

Взрывчатые вещества

В 1866 году Альфред Нобель обнаружил, что нитроглицерин становится гораздо стабильнее при абсорбции в диатомите (кизельгуре). Это обеспечивало гораздо более безопасную транспортировку и обращение, чем с чистым жидким нитроглицерином. В 1867 году Нобель запатентовал эту смесь под названием динамит; эта смесь также известна как гухр-динамит, от немецкого термина kieselguhr.

Фильтрация

Инженер из Целле Вильгельм Беркефельд обнаружил способность диатомовой земли к фильтрации и разработал трубчатые фильтры (известные как фильтрующие свечи), изготовленные из диатомовой земли. Во время эпидемии холеры в Гамбурге в 1892 году эти фильтры Беркефельда были успешно применены. Одна из форм диатомовой земли используется в качестве фильтрующей среды, особенно для бассейнов. Она обладает высокой пористостью благодаря своему составу из микроскопически малых полых частиц. Диатомовая земля (иногда упоминается под торговыми марками, такими как Celite) используется в химии в качестве вспомогательного фильтрующего материала для увеличения скорости фильтрации и улавливания очень мелких частиц, которые в противном случае могли бы пройти сквозь или забить фильтровальную бумагу. Она также применяется для фильтрации воды, в частности, в процессе очистки питьевой воды и в аквариумах, а также других жидкостей, таких как пиво и вино. Она способна фильтровать сиропы, сахар и мед, не удаляя и не изменяя их цвет, вкус или питательные свойства.

Стерляная

Самое древнее применение диатомита — в качестве очень мягкого абразива. Его используют в зубной пасте, полиролях для металлов и некоторых скрабах для лица.

Борьба с вредителями

Диатомит ценен как инсектицид благодаря своим абразивным и физико-сорбционным свойствам. Мелкий порошок адсорбирует липиды из воскового внешнего слоя экзоскелетов многих видов насекомых; этот слой служит барьером, препятствующим потере водяного пара из тела насекомого. Повреждение этого слоя усиливает испарение воды из тела насекомых, приводя к их обезвоживанию, часто с летальным исходом. Это также эффективно против брюхоногих моллюсков и широко используется в садоводстве для борьбы с слизнями. Однако, поскольку слизни обитают во влажной среде, эффективность применения невелика. Для повышения эффективности диатомовой земли иногда добавляют аттрактант или другие добавки. Форма диатомей в отложении не доказала влияния на их функциональность в отношении адсорбции липидов; однако, для некоторых применений, например, против слизней и улиток, наилучший результат достигается при использовании диатомей определенной формы, что указывает на то, что адсорбция липидов – не единственный действующий фактор. Например, в случае слизней и улиток, крупные, шиповатые диатомеи наиболее эффективно повреждают эпителий моллюска. Диатомовые панцири в определенной степени действуют на подавляющее большинство животных, сбрасывающих кутикулу посредством экдиза, таких как членистоногие или нематоды. Также возможно воздействие на лофотрохозоа, например, на моллюсков или кольчатых червей. Диатомит медицинского качества изучался на предмет его эффективности в качестве антигельминтного средства для крупного рогатого скота; в обоих упомянутых исследованиях группы, получавшие диатомовую землю, не показали результатов лучше, чем контрольные группы. Он часто используется вместо борной кислоты и может применяться для контроля и возможной ликвидации заражений клопами, домашними пылевыми клещами, тараканами, муравьями и блохами. Диатомовая земля широко применяется для борьбы с насекомыми при хранении зерна. Она используется для контроля каннибалистического поведения у мучного жука-точильщика, который заражает зернохранилища. Для эффективного использования в качестве инсектицида диатомовая земля должна быть некальцинированной (то есть, не подвергаться термической обработке перед применением) и иметь средний размер частиц менее 12 мкм (то есть, пищевой класс – см. ниже). Несмотря на то, что считается относительно безопасной, пестициды, содержащие диатомовую землю, не освобождены от регулирования в Соединенных Штатах в соответствии с Федеральным законом об инсектицидах, фунгицидах и родентицидах и должны быть зарегистрированы в Агентстве по охране окружающей среды.

Diatomite is of value as an insecticide because of its abrasive and physico sorptive properties. The fine powder adsorbs lipids from the waxy outer layer of the exoskeletons of many species of insects; this layer acts as a barrier that resists the loss of water vapour from the insect's body. Damaging the layer increases the evaporation of water from their bodies, so that they dehydrate, often fatally. This also works against gastropods and is commonly employed in gardening to defeat slugs. However, since slugs inhabit humid environments, efficacy is very low. Diatomaceous earth is sometimes mixed with an attractant or other additives to increase its effectiveness. The shape of the diatoms contained in a deposit has not been proven to affect their functionality when it comes to the adsorption of lipids; however, certain applications, such as that for slugs and snails, do work best when a particularly shaped diatom is used, suggesting that lipid adsorption is not the only factor involved. For example, in the case of slugs and snails, large, spiny diatoms work best to lacerate the epithelium of the mollusk. Diatom shells will work to some degree on the vast majority of animals that undergo ecdysis in shedding cuticle, such as arthropods or nematodes. It also may have other effects on lophotrochozoans, such as mollusks or annelids. Medical grade diatomite has been studied for its efficacy as a deworming agent in cattle; in both studies cited the groups being treated with diatomaceous earth did not fare any better than control groups. It is commonly used in lieu of boric acid and can be used to help control and possibly eliminate bed bugs, house dust mite, cockroach, ant, and flea infestations. Diatomaceous earth is widely applied for insect control in grain storage. It is used to control cannibalistic behaviors in confused flour beetles, which infest flour storages. In order to be effective as an insecticide, diatomaceous earth must be uncalcinated (i. e., it must not be heat treated prior to application) and have a mean particle size below about 12 μm (i. e., food grade—see below). Although considered to be relatively low risk, pesticides containing diatomaceous earth are not exempt from regulation in the United States under the Federal Insecticide, Fungicide, and Rodenticide Act and must be registered with the Environmental Protection Agency.

Тепловой

Его тепловые свойства позволяют использовать его в качестве барьерного материала в некоторых огнестойких сейфах. Он также применяется в вакуумной порошковой изоляции для работы с криогенными веществами. Порошок диатомовой земли помещается в вакуумное пространство для повышения эффективности вакуумной изоляции. Он использовался в классических плитах AGA в качестве теплоизолирующего барьера.

Поддержка катализатора

Диатомовая земля также находит применение в качестве носителя для катализаторов, как правило, для увеличения площади поверхности и активности катализатора. Например, никель может быть нанесен на этот материал — комбинация известна как Ni–Кизельгур — для повышения его активности в качестве катализатора гидрирования.

Сельское хозяйство

Природные пресноводные диатомовые земли используются в сельском хозяйстве для хранения зерна в качестве агента, предотвращающего слеживание, а также в качестве инсектицида. Он одобрен Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов в качестве кормовой добавки для предотвращения комкования. Некоторые полагают, что его можно использовать как натуральное противоглистное средство, хотя исследования не подтвердили его эффективность. "Диатомовая земля пищевого качества" широко доступна в магазинах, торгующих кормами для сельскохозяйственных животных. Пресноводный диатомит может использоваться в качестве среды для выращивания в гидропонных садах. Он также используется в качестве среды для выращивания комнатных растений, особенно в качестве почвы для бонсай. Энтузиасты бонсай используют его в качестве добавки к почве или высаживают бонсай в 100% диатомовую землю. В овощеводстве он иногда используется в качестве улучшителя почвы, поскольку, как перлит, вермикулит и расширенная глина, он удерживает воду и питательные вещества, одновременно обеспечивая быстрый и свободный дренаж, что способствует высокой циркуляции кислорода в среде для роста.

Строительство

Использованная диатомовая земля, образующаяся в процессе пивоварения, может быть добавлена в керамическую массу для производства красного кирпича с повышенной открытой пористостью. Диатомовая земля считается выдающимся неорганическим неметаллическим материалом, пригодным для производства различных видов керамики, в том числе пористой керамики с использованием низкотемпературной гидротермальной технологии.

Особые сорта

Триполи – это разновидность, встречающаяся в Триполи, Ливия. Глина Банна – это разновидность, обнаруженная в долине Нижнего Банна в Северной Ирландии. Молер (мо-глина) – это разновидность, встречающаяся в северо-западной Дании, особенно на островах Фур и Морс. Диатомовая земля пищевого качества, полученная из пресной воды, – это тип, используемый в сельском хозяйстве США для хранения зерна, в качестве кормовой добавки и инсектицида. Она производится в некальцинированном виде, имеет очень мелкий размер частиц и очень низкое содержание кристаллического кремнезёма (<2%). Диатомовая земля, полученная из морской воды и используемая для фильтрации бассейнов, пива и вина, не подходит для употребления в пищу и неэффективна в качестве инсектицида. Обычно перед продажей она подвергается кальцинации для удаления примесей и нежелательных летучих веществ, состоит из частиц большего размера, чем пресноводная разновидность, и имеет высокое содержание кристаллического кремнезёма (>60%).

Микробная деградация

Некоторые виды бактерий в океанах и озерах могут ускорять скорость растворения кремнезема в мертвых и живых диатомеях, используя гидролитические ферменты для разложения органического материала водорослей.

Климатологическое значение

На климат Земли влияет пыль в атмосфере, поэтому выявление основных источников атмосферной пыли важно для климатологии. Недавние исследования указывают на важную роль поверхностных отложений диатомовой земли. Исследования показывают, что значительное количество пыли происходит из депрессии Боделе в Чаде, где штормы перемещают диатомитовый гравий по дюнам, генерируя пыль в результате абразии.

Учитывания безопасности

Вдыхание кристаллического кремнезёма вредно для лёгких, вызывая силикоз. Аморфный кремнезём считается малотоксичным, но длительное вдыхание вызывает изменения в лёгких. Диатомовая земля в основном состоит из аморфного кремнезёма, но содержит некоторое количество кристаллического кремнезёма, особенно в морских формах. В исследовании 1978 года среди рабочих, у тех, кто подвергался воздействию природной диатомовой земли более пяти лет, не было выявлено значительных изменений в лёгких, в то время как у 40% подвергшихся воздействию кальцинированной формы развился пневмокониоз. Современные распространенные составы диатомовой земли более безопасны в использовании, поскольку они преимущественно состоят из аморфного кремнезёма и содержат мало или не содержат кристаллического кремнезёма. OSHA установила предельно допустимую концентрацию диатомовой земли в 20 мппц (80 мг/м3/%SiO2). При концентрации 3000 мг/м3 диатомовая земля представляет непосредственную опасность для жизни и здоровья. В 1930-х годах было установлено, что длительное профессиональное воздействие на работников в промышленности по производству диатомита, содержащего кристобалит, подвергавшихся воздействию высоких концентраций кристаллического кремнезёма в воздухе в течение десятилетий, повышает риск развития силикоза. Диатомит, используемый для фильтров бассейнов, обрабатывается при высокой температуре (кальцинируется) и флюсом (карбонатом натрия), в результате чего ранее безвредный аморфный диоксид кремния переходит в кристаллическую форму.