CN1918070A - 可溶性生物来源二氧化硅及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种制备生物来源二氧化硅的方法，所述方法包括以下步骤：在最高达1200℃的温度下焚烧携带二氧化硅的有机原料，使焚化的二氧化硅有机原料冷却；将焚化并冷却的携带二氧化硅的有机原料加入预加热到最高达约65℃的温度碱溶液，或者碱溶液与有机原料一起加热到最高达约65℃的温度，所述碱溶液包含在容器中，pH最高达14；加热使容器中加入的有机原料和碱溶液的温度为100℃－最高约300℃并保持1－4小时，从而形成来自有机原料的水性生物来源二氧化硅和不溶杂质；和从该容器提取水性生物来源二氧化硅。提取的二氧化硅可固化成固体形式。

Description

可溶性生物来源二氧化硅及其应用
                   技术领域
本发明涉及可溶性生物来源二氧化硅及其应用。
                   发明背景
工业和矿区活动、发电厂、废物管理中心等总是产生携带化学污染物的废料。这些污染物不可避免地释放到环境中，从而污染附近的土壤、沉积物、淤泥、水和/或空气。由于许多污染物有毒，进行了许多去除或封装污染介质的尝试。去除本身仅仅是移除污染介质，因而是将污染物转移到另一位置，而有毒污染物仍保留在去除的介质中。封装昂贵，并且不是长期解决办法，因为在封装介质中的污染物会随时间流入环境。
目前，大家逐渐意识到污染材料对环境和我们的食物是潜在的危险。例如，通过储存罐泄漏或之前将危险材料丢弃在地上和使用不可生物降解的农药，危险材料和化学品的溢出可污染土壤。在其它例子中，港口清淤的沉积物和淤泥，如水处理或污水纯化淤泥，可含有可能是无机物如重金属和/或有机物如焦油等物质的污染物。
在封装或固定工艺的处理中，污染土壤与有机粘合剂(通常是基于水泥的材料)混合。土壤和其中含有的污染物由水泥有效封装。然后，得到的混合物固化并硬化成石块样最终产物。通常获得硬化的最终产物所必需的水泥石料粘合剂的量是污染土壤重量的50％-100％。常常必需将各种添加剂加入粘合剂以提高粘合剂效能。此固化材料通常丢弃在垃圾填埋地点，尽管它偶尔可用于建筑填料。
所述封装或固定工艺自1970年代开始使用，人们相信，一旦结合在水泥材料中，污染物不可能浸出进入周围环境。此想法基于各种方法的测试结果如硬化材料的碾碎和未碾碎样品的酸和水浸出。近期研究显示，此想法不正确，在许多年后，有毒污染物将浸出水泥粘合剂。因此，除了不得不将固化土壤或其它材料运输到垃圾填埋地点效率低以外，目前看来这种固化工艺不提供对污染土壤的长期解决方案。
本申请人意识到大量有机废料含有高百分比的二氧化硅，并进行了可利用有机材料中的二氧化硅的应用的实验。意外的是，本申请人发现可使从这些有机材料获得的二氧化硅(生物来源二氧化硅)可溶，这些二氧化硅会与污染介质中的许多污染物反应。令人惊讶的是，可溶性生物来源二氧化硅还具有出色的阻燃性并是基本纯净的。用可溶性生物来源二氧化硅处理的粘质土具有一些适合于不同应用的优良特性。
                   发明目的
本发明的目的是提供可溶性生物来源二氧化硅。
本发明的另一目的是提供处理被污染物污染的材料的方法。
本发明的另一目的是提供挽救(remediating)被污染物污染的土壤的方法。
本发明的又一目的是提供处理被污染物污染的材料的方法，其中可将该污染物化学改变为生态学上惰性的化合物，以使处理的材料可通过适当的规定标准。
本发明的又一目的是提供挽救污染土壤的方法，其中处理的土壤具有土样或易碎的一致性，其中处理的土壤可留在“原位”，这减轻了将处理的土壤移到垃圾填埋地点或类似地点的需要。
本发明的又一目的是提供用可溶性生物来源二氧化硅处理粘质土的方法。
                   发明概述
在第一个方面，本发明涉及制备生物来源二氧化硅的方法，该方法包括：
a)在最高达1200℃的温度下焚烧携带二氧化硅的有机原料，使焚化的二氧化硅有机原料冷却；
b)将焚化并冷却的携带二氧化硅的有机原料加入预加热到最高达约65℃的碱溶液，或者碱溶液与加入的有机原料一起加热到最高达约65℃的温度，碱溶液包含在容器中，pH最高达14；
c)加热使容器中加入的有机原料和碱溶液的温度为100℃-至最高约300℃并保持1-4小时，从而形成来自有机原料的水性生物来源二氧化硅和不溶性杂质；和
d)从该容器提取水性生物来源二氧化硅。
本发明优选还包括以下步骤：
e)将提取的水性生物来源二氧化硅固化成固体形式。
携带二氧化硅的有机原料可选自稻壳、小麦壳和二氧化硅含量较高的草本中的一种或其中两种或多种的组合。所述草本包括异株荨麻(urtica dioca)(小荨麻)和木贼(Equisetum)(马尾)。
携带二氧化硅的有机原料一般是稻壳。
加入的携带二氧化硅的有机原料可占2-22重量％，碱溶液占3-8重量％(以氢氧化物重量计)，水占70-95重量％。氢氧化物可选自氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化钾、氢氧化铷、氢氧化铯和氢氧化钫。在一个实施例中，加入的携带二氧化硅的有机原料约为320g焚化稻壳，碱溶液是160g氢氧化物和3升水。
优选对该容器加压，以便在相对高的压力下加热。在一种形式中，该容器顶端开口，开口上盖有具有用于释放容器中过高压力的减压阀的可锁闭盖。
优选在最高达700℃的温度下焚烧携带二氧化硅的有机原料，以形成可溶性无定形二氧化硅，因而提取的水性生物来源二氧化硅是无定形的。也可在700℃-1200℃的温度下焚烧携带二氧化硅的有机原料，形成可溶性结晶二氧化硅，因而提取的水性生物来源二氧化硅是晶体。
在第二个方面，本发明涉及根据上述方法产生的水性无定形生物来源二氧化硅。
在第三个方面，本发明涉及根据上述方法产生的固体无定形生物来源二氧化硅。
在第四个方面，本发明涉及根据上述方法产生的结晶的水性生物来源二氧化硅。
在第五个方面，本发明涉及根据上述方法产生的结晶的固体生物来源二氧化硅。
在第六个方面，本发明涉及挽救含有无机和/或有机污染物的介质的方法，该方法包括将介质与含有根据上述方法获得的水性或固体生物来源二氧化硅的基质(matrix)产生剂相接触，加入基质产生剂是为了在介质中产生硅酸盐基质，该矩阵具有多个用于连接污染物的反应活性位点。
优选将介质与基质产生剂混合，并且在足够高的温度加热得到的混合物足够长的时间，以在所述混合物内产生干酪根(kerogenic)化合物。
这种干酪根样或干酪根结构是无特定顺序的大有机地质聚合物(organic geo-polymer)。干酪根化合物具有不规则结构，包括脂族和芳族组分。因为此结构，干酪根能够将较小的有机和无机分子包裹到其中。发生在基质中反应性位点上的缩聚反应形成干酪根化合物，然后，干酪根化学连接到基质。干酪根通常不溶于水和大多数有机溶剂，因此，它们的形成是挽救污染介质的高度有效的方法。
有机污染物包括P.C.B.、聚芳族烃、杀虫剂、除草剂、杀昆虫剂和相关化合物、卤化溶剂、呋喃、挥发性烃如苯、甲苯、二甲苯和其它常见的有机污染物。待处理介质也可被无机污染物污染，所述无机污染物包括重金属如铅、镉、汞、铬、钒以及放射性元素如铀、锶、钍和其它锕系元素和含有放射性元素如放射性碘的物质。
用本发明方法挽救的介质如土壤、沉积物、淤泥、水、空气和其它相似材料通常满足规定标准，常常分类为无毒性的。因此，本发明提供用废弃的有机原料(再生资源)处理污染的介质的实际和经济的方法。
本发明方法导致处理介质发生化学重构或重排。如前所述，本发明方法(自生地)产生具有胶体结构的二氧化硅基质。这种催化富集的硅酸盐结构具有大量反应性孔隙和通道，产生具有高孔隙率的基质。该基质具有适合于使污染物成为无害形式的多个催化反应活性位点。这些位点在物理上和化学上都有活性。在基质中，存在各种反应机理，包括氢键结合、配位络合、路易斯酸/键形成、共价键结合、P.pi至D.pi结合。这些机理将有机污染物分解成对环境无害的形式。对于被有机污染物或有机和无机污染物混合物污染的材料，相信本发明的反应步骤如下。自由基产生者攻击有机污染物，形成有机自由基化合物。然后，这些有机自由基通过聚合型反应结合形成长链化合物。然后，这些长链化合物通过缩聚反应结合形成干酪根和/或干酪根样化合物。起初，无机污染物如重金属被加入产生的基质中，随后可用作次级催化材料，进一步作为反应性位点。然后使这些无机污染物矿化成无反应性不可浸出的状态。
获得的水性和固体的生物来源二氧化硅、液晶基质是具有高度反应性的天然物质，这意味着它连接于多种其它反应元素以形成稳定化合物，并促进与之前的无反应性元素发生化学相互作用，有效降低许多和不同的有益反应的阈值能量。
催化富集的硅酸盐结构连接于作为土壤/介质中不稳定的有毒污染物原子的反应自由基产生剂。产生的分子间键非常强并稳定，使污染物不可能进入食物链和植物摄取。因此，清洁了污染的介质如土壤，用于安全的食物生产。
在第七个方面，本发明涉及用如上所述获得的生物来源的水性二氧化硅处理建筑材料或建筑物(fabric)。处理的建筑材料或建筑物具有基本良好的阻燃性以及防止白蚁的特性。
二氧化硅的常见形式通常是不可溶的。本方法所述水性和固体的生物来源二氧化硅获自有机原料，尤其是相对于存在高比例二氧化硅的物质。在原材料输入形式中，二氧化硅完全不可溶，进行所述方法后，大部分二氧化硅变成水性的。水性形式的二氧化硅的反应性极高，具有其它反应元件可连接的许多反应性连接位点。此化学键连接能够通过将污染物从反应性状态改变为稳定的非反应状态而从环境中去除有害污染物，从而解决许多环境污染问题。这些二氧化硅反应性位点存在于二氧化硅结构内部和外部，以连接3维连结体，大大提高元素键合效率。在这些外部键合机理中催化剂可以是氧、氢、氢氧化物、靶元素或添加的共沉淀剂如铁、粉煤灰、水泥粉尘、氯化钴、粘土、钙盐和铝盐。这些催化剂提高了基质间和基质内键合速率。
目前，可溶性二氧化硅衍生自矿物原料。产生基于可溶性矿物质的二氧化硅的原材料的例子是高岭土、橄榄石、云母、沙石和其它矿物基形式。在这些矿物形式中，有各种其它元素如铁、锰、镁、铝、钠、钙和钛。通常，二氧化硅SiO2占全部组分的50-60％。然而，矿物质的剩余部分连接于二氧化硅反应性位点，从而降低了提取大部分游离的可溶性二氧化硅的能力。占据这些二氧化硅反应性位点的主要是铝、铁、镁和钙。这使二氧化硅的矿物形式在化学键合应用中不具商业价值。
如果在本发明方法中利用二氧化硅的有机形式，没有或很少出现上述矿物组合物占据反应性位点而阻断反应性位点的情况。如果利用焚化的有机原料如稻壳或小麦壳，此方法的原材料所含的二氧化硅比例约为92％SiO2，其它矿物质共约3％。
完成后，该方法产生含水的二氧化硅，它几乎全部有反应活性，反应性位点接近100％，能够连接于靶向工业/商业应用的元素。与目前可用的矿物形式相比，生物来源的水性二氧化硅结构中的反应性位点或连接位点大大增加。而且，通过催化和共沉淀键合形成的分子间键和分子内键呈指数级快速形成，这使得该产物在商业上很有吸引力并且是环境友好的。
可以将生物来源的水性二氧化硅比作住宅平顶的砖块。可溶性二氧化硅的矿物形式具有高占用率，因此仅有几个空位来锁定元素。如上所述水性二氧化硅的有机形式具有高水平的空位，使得可以锁定许多元素。
然而，此类比不足以描述基质效应。在这些构件以外也有反应性位点。矿物平面具有少量弱作用力(weakly attractive)的位点，不能在构件之间形成稳定的联锁基质。各种元素是形成这些构件间连接的关键因素。有机平面具有大量很吸引人的位点，在构件间呈指数级形成稳定的联锁和锁内基质。
生物来源的固体和水性二氧化硅的应用的例子是：
·可以气相、液相和固相使用
·可用于将放射性物质从溶液中移除到可丢弃或再利用的沉淀中。
·将重金属从反应性改变为非反应性、不可浸出状态。
·可将生物来源的固体和水性二氧化硅以0.1∶100至最高达1∶1的比率加入废液流中以将锌、铅、镉、砷、铬、氰化物、钒、锰、汞、金、铜、镍、铁等从反应性改变为稳定的非反应性状态。pH范围0-14用于使功效最大，这取决于废液流组分。
·去除废油中的金属、淤泥和水，以降低回收者再生/加工的成本。将生物来源的固体或含水二氧化硅加入容器中并振荡，在容器中加入比率为1∶100至最高达1∶2的生物来源的固体或水性二氧化硅以及废油并搅拌。根据单独的废液流将pH预先调整为2-4，尽管pH8-10也有效。反应通常在10分钟内完成，尽管可能需要24小时的沉淀时间。在这个阶段，产生了一层富含金属的淤泥形式、一层清洁的水和一薄层油，水流入下水道，油部分可加工再用。对于回收者来说，这是巨大的成本节约，并且丢弃的是较清洁的废液。
·施用于木头的固体或水性生物来源二氧化硅使木材具有阻燃性。此溶液的绝热性使其成为用于油漆制造和木材处理的高度有效的阻燃材料。
·可从矿体和溶液中再生贵金属如金。这最大程度降低环境危害和伴随矿物加工的高能耗，而成本效率很高。
·这种二氧化硅的最纯形式是改进半导体/计算机元件工业所必需的。生物来源的固体或水性二氧化硅的这种纯形式对它在提高处理速度和减小硅晶片尺寸中的作用是至关重要的。这与纳米技术的新纪元尤其相关。二氧化硅的现有形式具有矿物杂质，不允许施加5伏以上电源，因此这些矿物杂质如铝漏电并引起故障。如果用纯净形式的二氧化硅，就可以施加大得多的电压以使处理速度加快并可构建较小的晶片。可改进现有的“碳管”和“巴基球(bucky ball)”，使其容量至少为100倍。此应用对量子点的新纪元很关键，具有庞大分枝。
·应用于肥料以增强植物细胞强度和弹性。这使植物茎变得更强壮，果实和蔬菜皮更坚韧，使产量较高的植物维持产量荷载而不倒伏，茎更有弹性，并且由于更强韧的外皮而延长产品保存期。生物来源的固体或水性二氧化硅的反应性使肥料中和植物内的氨基酸、多肽和蛋白质形成更快，用作催化剂以提高植物反应。推荐在根区应用至多10ppm。而且，生物来源的固体或水性二氧化硅将锁住营养物并使营养物不能为植物所用。
·人摄取或注射生物来源的固体或水性二氧化硅或用生物来源的固体或水性二氧化硅处理的植物将在核医学处理后、在战争或核事故中放射性污染后从身体中去除放射性物质。
·通过摄入/注射生物来源的固体或水性二氧化硅对人类健康的影响包括：
·从脑表面去除重金属如锌和铝，预防阿尔茨海默病发病
·重要的骨和牙钙化
·修复骨、腱和韧带损伤所必需
·维持老年人的正常骨结构
·预防动脉硬化(artherosclosis)和背部椎间盘退化
·预防蛀牙
·维持外皮弹性
·维持毛发和指甲健康
在第八个方面，本发明涉及粘质土方法，该方法包括将根据上述方法获得的含水或固体的生物来源二氧化硅加入大量粘质土，二氧化硅与粘质土的重量比为0.2％-2％。
                    附图简要说明
为了使本发明更易于理解和实施，本说明书下面开始阐述说明本发明非限制性
实施方式的附图，其中：
图1是获得本发明水性生物来源二氧化硅的工艺的示意图；
图2显示了根据图1所示工艺获得的无定形水性生物来源二氧化硅的化学结构；
图3是根据图1所示工艺获得的结晶的水性生物来源二氧化硅的化学结构；
图4-9显示了结晶的水性生物来源二氧化硅的化学结构；
图10是SOLSIL和100-1200cm-1范围的硅酸钠样品的谱图；
图11是H2O、硅酸钠溶液(sol)和SOLSIL的四种不同制剂的FTR-IR谱；
图12显示了表示SOLSIL(1∶10稀释，pH12.8)处理后水相中物质的分数的两幅柱形图；
图13是在pH12.8与pH10.0进行SOLSIL处理后在水相中保留的图；
图14显示固相-水相分离期间的物质脱附与剩余水分；和
图15是显示Fe、Ra、U和Zn的水相保留和缺失后测定的水相pH与SOLSIL的函数的图。
                        附图详述
参见附图，首先是图1，图中显示容器10具有主体11，该主体具有开口顶端和覆盖在开口顶端上的可移除盖12。盖12具有用于在容器10中压力超过预定水平时释放其中压力的减压阀14。提供锁闭组件16以在容器10使用时将盖12锁闭在适当的位置。
在本发明方法中，将pH高达14的苛性碱溶液倾入容器10并预加热至约60℃。苛性碱溶液可包含钠、锂、钾、铷、铯、钫中任何一种或多种的氢氧化物。在此实施方式中，采用pH14的氢氧化钠。将焚化稻壳灰加入热苛性碱溶液，在封闭容器10中将其加热到沸点温度1-2小时。温度可以是100℃-300℃，持续1-4小时。在此实施方式中，苛性碱溶液占5重量％，焚化稻壳灰占10重量％，水占85重量％。各成分的比率也可约为160gNaOH(或其它氢氧化物)、320g稻壳灰、3升水。
本方法的这个实施方式产生2％不溶解泥浆和98％不透明的水性生物来源二氧化硅液体，pH约为13.5。
此方法可产生两种类型的可溶性二氧化硅。在低于700℃的温度下焚烧稻壳灰形成无定形形式的水性生物来源二氧化硅。无定形稻壳灰的理想形式的碳含量为2％-8％。在700℃-1000℃的温度下焚烧稻壳形成结晶形式的水性生物来源二氧化硅，一般称为白硅石(crystobolite)，其中不存在碳。在1200℃左右焚烧，稻壳灰转变为玻璃并且其溶解性对加工无效。
通过上述方法获得的无定形的水性生物来源二氧化硅含有二氧化硅胶体，长链聚合物中的二氧化硅与占据一些外部和内部连接位点的乙醇(ethol)C2H5分子、钠、氢和氢氧化物形成了所述二氧化硅胶体的基本结构，如图2所示。无定形的水性生物来源二氧化硅的胶粒尺寸约为1-100微米，大多数在10微米范围左右。
通过此方法溶解时，结晶稻壳灰具有与无定形形式不同的、在许多情况下是优选的特征。结晶的水性生物来源二氧化硅也是无杂质如乙醇链的二氧化硅胶体，该胶体的结构较简单且较小，如图3所示。
结晶的水性生物来源二氧化硅的胶粒尺寸为10微米-10纳米，大多数胶粒尺寸在1微米左右。无定形的含水生物来源二氧化硅的较小颗粒(胶粒)尺寸的表面积大于较大胶粒尺寸的表面积。这使更多连接位点可用于以化学键连接(吸附)其它元素(如重金属)。由于结晶的水性生物来源二氧化硅几乎是纯的，没有有机(乙醇)分子，它也具有更多可用于锁闭基质的连接位点。因此，水性生物来源二氧化硅的结晶形式与无定形形式相比：
·更纯，没有(很少)有机干扰；
·胶粒尺寸更小。
这产生更有效的化学键连接剂，它产生：
·与其它元素更稳定(更强)地键连接，不大可能从固相回到液相；
·产生所需结果所需的产物体积更小；
·有效的pH范围更宽；
·绝热性更高，阻燃性提高。
无定形形式和结晶形式的水性生物来源二氧化硅与硅酸钠或水玻璃没有相似之处。
本申请人在许多应用中测试了生物来源二氧化硅。试验报告确认，根据本发明方法获得的生物来源二氧化硅对许多种物质具有高度反应性。在此报告中，生物来源二氧化硅称为SOLSIL(即由本发明方法获得的含水生物来源二氧化硅的商品名)。
为了完整，以下阐述该报告：
                         SOLSIL试验
研究SOLSIL是为了确定使用它是否可靠和成本效率是否高。研究了两种形式，附件1，来自QUT的报告指出我们有两种不同产物。第一种是无定形基SOLA，第二种是结晶SOL C：
1.作为我们的有毒和重金属废弃物的固定剂
·砷
·铬
·镉
·镍
2.作为用于我们的废水处理工艺的制剂
3.其它应用
1.起初，发现SOLSIL在砷的固定过程中有益处。砷存在的主要形式有两种-As2O5和As2O3。进一步的研究证明，SOL A对As+5具有高度选择性，但起初对As+3的选择性非常小。进一步试验证明，pH和铁共沉淀是结合As+3(注1)中的关键。对两种形式定量未知的“真正的”废液样品的试验没有顺利地进行TCLP试验。最近发现，“真正的”试验的结果应提高。
用铬废液进行的试验也证明选择性因铬-Cr+3或Cr+6的氧化态和SOLSIL形式而改变。在pH2-6.5观察到SOL C对Cr+3的高亲和力，然后带有弱酸的显著量的铬浸出凝胶。SOL A在碱性区的操作pH范围更窄，并且可浸出性更小(注2)。对于液体形式的铬废料而言，这些结果是令人鼓舞的。
采用Cr+6废液时，两种形式的SOLSIL都显示出亲和力明显较低。发现氧化态很关键。对于SOLSIL来说，+6形式不是活性形式。可用还原剂(即偏硫酸氢钠)改变氧化态。用K2Cr2O7盐(Cr+6)和不同体积的还原剂进行的TCLP试验产生的结果是：起始浓度为11,500ppm Cr，SOL C处理后低至23ppm，SOL A处理后为37ppm。需要在此领域进行更多工作，尤其是将Cr+6完全转化为Cr+3。
用SOL C以4∶1处理含有高水平镍、镉和锌废料的废液，结果如下。Ni从4820至2590ppm，Cd2350至164ppm，Zn315至3.2ppm。镍的结果最差，需要进一步研究来优化条件。
2.锌试验包括将1％和0.1％的SOL A加入通常监测锌水平的日常废水中。一般观察到，简单地通过加入1％SOL A、混合和过滤就能容易地去除水平高达2ppm的锌。采用0.1％SOLSIL将该水平降低到0.5ppm或更低。SOL C说明它更有效(注3)。对于标准室内废水处理而言，加入0.1％SOL A，观察是否可见提高并定量。这对一般的滤饼形成不利，对即将排入下水道的水中溶解的金属有不良影响。(表1)表1的结果显示，SOL A可从管道和衬里槽洗脱(strip off)中的离子。这也由排入下水道之前水的pH意外降低说明。附件2是田纳西州大学(University of Tennessee)，诺克斯维尔，TN_美国水厂联合会研究基金会讨论硅酸钠的应用(SOLSIL的变体，价格超过$70/半升)的摘要。
3.SOLSIL具有良好的阻燃性。将木屑、头部(pate)和聚氨酯泡沫浸入SOL A和SOL C中，并使其干燥。焰源指向耐燃烧性明显优于未处理材料的材料。需要进行进一步工作以得到工业处理形式的SOLSIL。试验了耐白蚁性，得到了一些令人鼓舞的结果。自然资源部正在进行正式试验，应该可以在二月下旬获得(结果)。
关于SOLSIL相关产品的农业应用，联系了Tibor de jong，他表示出对组织野外试验的兴趣。
SOLSIL的特性和化学性质应该看它对水泥特性的改变，如增加的强度和防水性。
注1：所用废液类型是三氧化二砷(纯度97％)。试验了约1340ppm的溶液，发现pH6.14对于两种形式的SOLSIL都是最优的，而(SOL C)结合100％砷，用(SOL A)结合量较少(6.8mg/L浸出)。比例是1份SOLSIL比4份砷溶液。
用一种高氟化物砷酸盐杀虫剂Nopalmate进行试验，起初试验证明难以用室内方法处理，而用(SOL C)形式获得了令人鼓舞的结果，将As水平从2500ppm降低到约25ppm。
注2：起初Cr+3浓度为14,600ppm，用(SOL C)保留了高达99.9％，然后沉淀浸出物到低至20ppm。(SOL A)起初保留的较少，但后来浸出的少，为2.8ppm。
注3：例如废水中Zn水平为9.9ppm(ICP)，0.1％(SOL A)将该水平降低到0.12ppm，0.1％SOL C将该水平降低到0.07ppm。
表1：
  元素   加压后   排水前   水泥处理后
  pH约10   pH约6   pH约10
  Zn   0.065   1.73   0.118
  Cd   0.058   0.190   0.088
  Pb   0.585   2.97   -
  Co   -   0.009   -
  Ni   0.057   0.310   0.495
  Mn   0.087   1.48   0.006
  Fe   -   111.0   1.33
  Cr   0.003   0.169   0.054
  Cu   -   0.323   0.213
  Al   -   0.150   0.020
  As   -   -   -
注：A(-)指无可检测水平。
                            附件1
在不同SOLSIL制剂中的硅酸根离子
1：介绍
监测SOLSIL制剂的四个样品中二氧化硅的特性。
所用技术是ATR-IR和拉曼光谱。通过位于935(υ3)、777(υ1)、607(υ4)和448(υ2)cm-1的条带识别溶液中SiO2(OH)2 2-形式的硅酸根离子。有报道认为这些条带中的最后两条υ2和υ4是弱条带，而其余的两条是中等强度。条带υ1和υ3对应于伸缩振动，而υ2和υ4对应于弯曲振动。虽然所有四条条带都是拉曼活性的，但其中一些可能不是IR活性的。此外，位于约1040cm-1的条带是聚合的硅酸根离子，而不是由theSiO2(OH)2 2-离子产生的。
所用例子包括：
SOLSIL-类晶体制剂-#444
无定形制剂pH14.0-#167
1∶10稀释的无定形制剂pH 12.8-#167
1∶10稀释的制剂，pH调整为10.0-#166
水玻璃    比较-#sol
2：结果
2.1：拉曼光谱
结果的小结见图10，其中相对信号强度对波数作图。
硅酸钠溶液(水玻璃)在1040cm-1处显示一条带，说明硅酸根离子在样品中的聚合物特性。
样品157是无定形SOLSIL的制剂，也在1040cm-1区域有一条带，以及在925、771、601和444cm-1有条带，这些条带可指定为含水硅酸根离子的四种振动模式。该谱也含有许多其它条带，说明溶液中存在其它化学物质。
样品#167是1∶10稀释的无定形制剂。因此，没有预计到#167和#157谱的广泛相似性。在样品#167的谱中，778cm-1处的条带可指定为硅酸根离子的υ1振动，420处的条带可指定为硅酸根离子的υ2振动。该谱图说明υ3和υ4条带也存在，但信号小于背景。与样品157相比，样品167中的聚合物条带信号高于硅酸根离子条带信号。这说明无定形SOLSIL制剂的稀释可能导致进一步聚合。对这种行为的解释可能是由于SOLSIL稀释，pH降低导致更多硅酸根离子质子化并聚合。
样品166在927cm-1处有一条带，另一条在660cm-1附近。而927cm-1处的条带可归因于硅酸盐振动模式υ3，可指定为硅酸根离子的其它振动模式的其余三条条带丢失了。在此样品中，硅酸根离子可能主要是由于稀释以及用乙酸将pH调整为10.0而从溶液中丢失。在所述pH下储存延长时间时目测观察SOLSIL储存液-在容器底部可出现白色残留物支持了上述结论。
SOLSIL的类晶体制剂的样品_样品444精细地显示出SiO2(OH)2 2-离子的存在。四条条带位于926、772、609和451cm-1附近。它们都对应于预计的SiO2(OH)2 2-振动条带。同时，与预计相符的是，条带υ1和υ3相对强于υ2和υ4。1040cm-1条带最弱，说明该样品中硅酸盐聚合很少。没有任何其它主要条带说明纯度高。
2.2：ATR-IR光谱衰减全反射
理论上，一些硅酸根离子振动可能不是IR活性的；这一点和水的高IR吸收使ATR-IR(衰减全反射红外线)光谱在鉴定硅酸盐存在中的应用有限。
图11中的结果是所有四种SOLSIL样品和硅酸钠溶液的光谱。加入水的光谱作为比较。在一个以上峰的影响下信号可能加宽的光谱部分，用傅里叶变换去卷积，在积分信号下对单个组分作图。
尽管难以解释，但IR光谱使我们能够对材料进行一些分组。在900cm-1以下，光谱由水的IR吸收支配，任何有意义的去卷积都不可能。去卷积信号显示出样品#157和#444在920cm-1附近存在条带。这些样品是未稀释的SOLSIL的无定形和类晶体制剂，该条带可对应于υ3振动。
额外峰出现在980cm-1附近。此峰不仅在样品#444中最强，而且在#157和#sol中明显可见。此峰应以某种方式涉及硅酸盐材料的存在，但现阶段还没有提供解释。在1100cm-1处的另一峰仅在硅酸钠溶液(#sol)中可见。
3：意义
发现在溶液中存在的二氧化硅是胶体。假定通过水解TEOS(四乙氧基硅烷)制备该胶体。该胶体通过吸附阳离子如K+、Na+、Cs+或相似阳离子而稳定。阴离子也适合用于稳定该胶体。光谱学使得能够通过光散射技术看到该胶体。通过蒸发溶剂使胶体沉淀后，测量胶体上残留的材料。但用振动光谱技术分析固体和胶体溶液。与硅酸钠溶液进行比较。不可在硅酸钠和水玻璃的溶液之间进行光谱比较。光谱研究显示出胶体溶液中存在其它化学物质。这些化学物质可能是水解TEOS的副产物。
考虑了吸附重金属的机制是通过用碱金属阳离子取代吸附基团1。此取代引起胶体扰动，导致其沉淀。此重金属吸附和随后的沉淀提供了从溶液中去除重金属的方法。
                         附件2
铁和锰的去除
标题：铁和锰处理的螯合(sequestering)方法
摘要：此报告小结了在田纳西州大学进行的对用硅酸钠和聚磷酸钠螯合铁和锰的研究。铁和锰常见于地下水中，可导致饮用水中产生令人不快的颜色和混浊以及洗涤衣物和固定装置的染色。另一通过氧化和过滤去除铁和锰的处理技术是螯合铁和锰。本文中，螯合指防止形成令人不快的颜色和混浊，而实际上不去除铁和锰。一般地，加入硅酸钠和聚磷酸钠作为螯合剂。另一研究证明，通过几乎同时加入硅酸钠和氯来螯合铁在许多情况下(at many sites)很成功。然而，有许多操作变量和水质变量会影响此螯合方法的成功。给出了采用氯和硅酸盐的成本。pH的作用仍不确定，在一些研究中产生不一致的结果。
在野外测试了硅酸钠和氯的螯合，在实验室测试中研究了聚磷酸盐螯合。在螯合高浓度锰方面，聚磷酸盐比硅酸盐有更好的前景。聚磷酸盐也螯合铁。在颜色和混浊方面，正磷酸盐与一些聚磷酸盐的效果几乎一样好，但铁滤过性较低。据发现，流动电流可能与实验室水的处理有效性相关。
                          附录B
测试SOLSIL去除所选可溶性化学物质形成自产生的固相的能力的分批实验。
1：介绍
SOLSIL由QUT的Garry Nunn先生(150Fisher Road，Gympie Q4570)提供，最可能含有维持在pH约14的二氧化硅的可溶形式。
初步的试管研究证明，当与某些化学物质混合时，SOLSIL在固定时间产生固相。之后剩下的上层水相可能含有较低浓度的所述化学物质。用盐如MnCl2、FeCl3、Cd(NO3)2、Pb(NO3)2、HgCl2、AgNO3以及硝酸钍和硝酸铀的溶液进行这些研究。
受到初步研究的结果的鼓舞并考虑到对应用于工业废水处理的材料有潜在需要，设计了系统研究来测定SOLSIL去除所选可溶性化学物质而从水相变为自身产生的固相的能力。
设计本研究，使其结果有助于决定是否将SOLSIL进一步开发为用于广泛应用的产品。本研究的目的不是找到SOLSIL从特定废料中去除个别物质的适合的优化工作条件。
所测试的化学物质包括可能存在于各种废流和废料处理设备中的许多不同元素的放射性同位素和稳定同位素。本研究仅限于SOLSIL的两种稀释制剂。
2：研究的物质
研究覆盖了稳定物质和放射性物质的选择，考虑到废流的例子中，是可能存在于核废水(nuclear water)储存设备中的物质或与开采和研磨放射性矿石相关的物质。另外，一些放射性同位素的结果可用于指示它们的稳定对应物的预计行为。在大多数情况下，采用一定的浓度范围。通过用去离子水稀释从原料制备储存溶液(表1)。将它们放入用酸洗涤过的容量瓶中。在许多情况下，酸化储存溶液以保证该物质保留在溶液形式中。
除了充足的232Th，用于本研究的衰变的(aged)硝酸钍溶液也含有223Ra和223Th。分析技术允许用同位素Th和Ra独立分析Th和Ra的行为。
表1：本研究研究的物质及其浓度。来源显示了用于制备储存溶液的材料的来源。
  物质   浓度   来源
  稳定元素   (g·L-1)
  1Zn++   0.1、1.0、10.0、100.0   ZnCl2 Unilab
  2Fe+++3Pb++4Cd++5Cr3+6Ni++7Cu++8As+++9Hg++放射性元素10铀11 229Ra12 钍13 210pb14 60Co15 137Cs16 90Sr-90Y17 241Am   0.1、1.0、10、1000.05、0.50.1、1.0、100.1、1.0、10、1000.1、1、100.1、1.0、100.01、0.10.01、0.1(Bq*·L-1)100、1000100、1000100、10001500100、1000500500500   FeCl3·6H2O UnilabPb(NO3)2 MallinckrodtCdCl2 M&BSigma AA标准品292044NiCl2·6H2O Chem-SupplyCuCl2·2H2O UnilabSigma AA标准品206962Sigma AA标准品207292硝酸铀Unilab L/RAmersham标准品RAY.44衰变的硝酸钍混合的放射性核素标准品FX787AmershamQUT工作标准品QUT工作标准品认证的标准品Amersham认证的标准品Amersham
*Bq(Becquerel)是放射性单位-对应于每秒发生一个核衰变。
3：SOLSIL
初步试管研究证明，它在较高pH下浓缩溶液中起作用。作为另一极端边界条件，我们发现1∶200稀释的SOLSIL与许多SOLSIL本可以与其形成固相的材料混合时，不会导致固相形成。同时，如果将pH调节到7或更低，调节后立即或储存数天后在SOLSIL中出现固体形成。本研究中的大部分实验在这两个极端情况之间的中间值下进行。将提供的SOLSIL稀释10倍(质量)。采用两个制剂，一个在未调节的pH12.8下，另一个在调节的pH10.0下-用冰醋酸调节pH。
测试稀释和pH调节形式的SOLSIL的另一个原因是我们认为在某些应用情况下，较高的稀释度和更接近中性的pH可能对于材料处理是有益特征。
4：实验详述
简要说，分批测试包括将SOLSIL制剂与储存溶液样品混合，使它们相互作用数小时-最长达2天。然后的步骤是分离在混合期间产生的固相和水相，然后用合适的分析技术分析分离的水相。进行分批脱附实验，评价物质从固相返回水相的移动。
详细说，将等质量(放射性核素各约20g，化学物质各40g)的1∶10稀释的SOLSIL制剂和所选物质的储存溶液加入洗涤、酸浸泡和预称重的120mL塑料容器中。密封容器盖，通过2rpm转速缓慢混合数小时以相互作用。
将混合物静置至少12小时(图12)。为了将相互作用期间产生的水相和固相分离，然后5000rpm离心该容器10分钟。
在单独的(洗涤、酸浸泡和预称重)容器中去除水相，取称重子样品进行分析。固相进行称重、干燥和再称重。
重复进行该测试。
为测试去除过程的稳定性，将来自上述实验的浸渍的干燥固体材料与去离子水混合-无SOLSIL和物质峰(specie spike)。然后进行再混合；然后分离两相，类似于初始实验。分析水相来评价物质脱附。
用QUT放射学实验室的各种技术分析放射性物质(表2)。用认证的标准校准设备。用SITARS的ICP-设备进行稳定物质的化学分析。进行合适稀释以满足ICP系统的操作范围。有时，需要额外稀释来克服最可能由SOLSIL引入的Si干扰。
用推荐的安全设备和适当的个人保护装置进行所有实验。
出于安全考虑(强烈放热的反应)，我们没有将Cr+6如铬酸(CrO3或H2CrO4)包括在此初步研究的物质列表中。
5：观察结果
最终(SOLSIL处理的)水相与初始溶液中物质量之比是SOLSIL从水相中去除该物质形成自产生的固相的能力的指标。在本报告中，所有分批实验结果表示为此量-水相中的保留。此参数的值接近零说明完全去除；该值接近单位(unit)，则不能去除。为了直接比较，脱附也表示为移回水相的初始量的分数。
在附录1中，以表格形式表示分批实验的结果。当给定的物质和浓度有一个以上的有效结果时，平均这些结果以提高结果的统计真实性。附录2是对分析和结果的进一步编辑。附录3和4分别包含放射性核素和稳定物质分析的原始数据。光盘上提供了附录2、3和4(未包括)。
研究了在未调节的pH12.8下十倍稀释的SOLSIL与大多数物质相互作用期间产生的固相。在大多数情况下，SOLSIL处理后留下的水相中物质量在统计学上低于处理前的物质量(图3)。在调节的pH10.0下稀释的SOLSIL效率相对较低-仍发生去除，但效率通常小于在pH12.8下的处理。可通过图13观察到这个结果，其中将许多物质在pH12.8下的水相保留数据对在pH10.0下获得的相应值作图。这些值主要位于图的右下方-确认在较低pH下保留相对较多(或去除较少)。
一旦去除固相，该物质主要保持在固相中。脱附值范围是17％(U，100Bq)-接近零(许多物质)，平均值4％，标准差5％。用于脱附实验的干燥固体包含初始物质的溶质残留。这是因为完全去除水相是不实际的，即使离心后，固体中会残留一些水分。这可能代表更接近实际应用的情况，但是，在脱附测试期间，残留在固相中的溶质可能会简单地再洗回水相中。在图14中，在两相分离期间残留在固体中的水分量增加。这说明，洗回可能产生显著作用，脱附结果应作为使材料从固相上再活动出来的保守估计。
本报告中的水相结果包括基于固相的湿/干质量比的小质量平衡校正，在不确定情况下，它们应该是足量的。
表A2：稳定物质的分批实验的分析结果
  a)SOLSIL1∶10稀释pH10.0
  物质   浓度(g·L-1)   保留在水相中的物质   物质脱附   混合后水相的pH   固相的干质量(g)
  Cd++Cu++Fe++Mn++Ni++Pb++Zn++   1100.11101101000.11100.50.1100   0.71±0.080.59±0.070.84±0.090.82±0.090.75±0.090.04±0.000.80±0.100.81±0.140.92±0.100.91±0.100.38±0.060.87±0.090.96±0.100.80±0.10   0.02±0.000.07±0.010.01±0.000.01±0.000.01±0.000.02±0.000.05±0.010.01±0.000.04±0.010.04±0.01   57455400454443   0.071.230.060.370.182.260.040.361.010.170.850.090.040.52
  b)SOLSIL1∶10稀释pH12.8
  物质   浓度(g·L-1)   保留在水相中的物质   物质脱附   混合后水相的pH   固相的干质量(g)
  Cd++Cu++Fe++Mn++Ni++Pb++Zn++   1100.11101101000.11100.50.1110100   0.12±0.010.02±0.000.08±0.010.02±0.000.22±0.030.08±0.010.86±0.110.77±0.060.02±0.000.43±0.060.38±0.050.65±0.070.30±0.030.04±0.000.46±0.060.78±0.09   0.00±0.000.00±0.000.04±0.010.00±0.000.02±0.000.01±0.000.02±0.000.02±0.000.04±0.010.00±0.000.16±0.020.10±0.020.06±0.010.09±0.01   131314131213011313613131366   0.283.170.290.231.840.210.770.100.380.231.330.000.040.951.232.81
详细说，稀释的SOLSIL对不同物质显示出不同程度的去除能力。例如，用稀释的SOLSIL在pH12.8处理，能去除88％或更多的Cd，98％Mn，99％241Am和约60％Ni。在其它情况下，如60Co和Fe(100g·L-1)，去除会少得多，分别为12％和23％。总之，结果清楚地证明，有可能将SOLSIL开发为应用于需要将特定物质从水相去除并固定于固相的情况的介质。我们进行了额外实验来测定在与主要实验组中所用条件不同的条件下SOLSIL的有效性。例如，没有观察到与在主要实验条件下研究的一些物质形成固相-这些物质包括As和Hg。用提供的浓缩SOLSIL重复这些实验-但仍未观察到固相。在另一实验中，尝试通过将冰醋酸逐渐加入混合物将pH调整到约5，但仍未引发固相形成。考虑到低浓度的纯Hg和As，我们加入少量(5mL)10g·L-1Fe+++作为运载体，与混有1∶10稀释的pH为12.8的SOLSIL的0.1g·L-1Hg和As溶液的比例为1∶8。由此产生的固相确实部分去除该物质，Hg和As浓度降低到初始值的0.78±0.12和0.47±0.07。
在另一实验中，当加入稳定的Co++作为运载体(40mL样品溶液中加入5mg CoCl2)时，SOLSIL去除放射性60Co的能力增强，所提供的SOLSIL用于引发固相形成。在这些处理条件下，留在水相中的量可从0.88±0.09降低到0.33±0.06。表3显示了60Co和一些其它物质的结果，其中观察到采用浓缩(所提供)材料时SOLSIL能力增强。
表3：用所提供的SOLSIL处理所选物质的结果。包括了1∶10稀释的SOLSIL制剂的相应值用于比较。
  物质   保留在水相中的分数
  所提供的SOLSIL   SOLSIL1∶10稀释pH12.8
  60Co   0.33±0.06   0.88±0.09
  硝酸铀(uranyl nitrate)   0.01±0.01   0.27±0.12
  226Ra(1000Bq)   0.15±0.07   0.99±0.09
  232Th(989Bq)   0.26±0.02   0.59±0.01
一个有趣的观察结果是作为MnCl2溶液的Mn在与SOLSIL相互作用期间产生固相(并被容易地去除)，但对于KMnO4，则不能产生固相。
甚至对于同样的物质，对于不同样品浓度而言，保留在水相中的分数同样存在不同。如第2部分提到，酸化储存液以保证溶解性。基于此原因，许多情况下，当由于组分得到不同pH时，SOLSIL和储存液发生相互作用。测定最终水相的pH，图15中，数种不同物质水相中的分数对pH作图。结果表明的一般趋势为当互相作用发生在较高pH时会有更好的清除能力。一个例子是，当pH从将近0变化为将近13时，SOLSIL从溶液中清除铁的能力从(12±7)％变化为(92±1)％。
6.结论
分批试验提供了SOLSIL能够从溶液中清除化学物质到自身产生的固相中的证据。这种潜力能够通过在优化的特定应用条件下工作而增强。
一旦被移至固相，物质可能主要被保留于固相中—可能产生一些再活动，可能包括从分离时固体水分中的残留溶质的显著分布。在这些应用中，需要活动更少，SOLSIL处理后的固体可在丢弃前再次冲洗。
在较高pH和较高浓度时，SOLSIL似乎更加有效。同样SOLSIL-物质相互作用期间，pH会改变它的效率。
                           附录1
表A1：放射性物质分批试验的统计结果
  a)SOLSIL1∶10稀释pH10.0
  物质   浓度(g·L-1)   保留在水相中的物质   物质脱附   混合后水相的pH   固相的干质量(g)
  137Cs210Pb226Ra228Ra228Th232Th238U241Am60Co90Sr/90Y   555158610010009998999989999891001000456610610   0.94±0.060.89±0.091.05±0.170.98±0.090.42±0.310.96±0.070.05±0.070.19±0.020.13±0.020.21±0.010.86±0.160.81±0.160.80±0.050.90±0.100.99±0.07   0.00±0.050.03±0.010.03±0.020.06±0.010.05±0.000.40±0.020.02±0.000.01±0.000.00±0.000.05±0.020.02±0.00   054044444405424   0.040.000.050.061.100.251.100.250.630.250.040.070.070.060.04
  b)SOLSIL1∶10稀释pH12.8
  物质   浓度(g·L-1)   保留在水相中的物质   物质脱附   混合后水相的pH   固相的干质量(g)
  137Cs210Pb226Ra228Ra228Th232Th   55515861001000999899998999   0.90±0.060.07±0.020.36±0.090.99±0.090.30±0.290.73±0.070.27±0.070.72±0.020.13±0.02   0.02±0.140.10±0.010.08±0.020.02±0.010.02±0.00   0131101313131313   0.040.000.120.040.070.050.070.050.08
238U241Am60Co90Sr/90Y   9891001000456610610   0.59±0.010.88±0.170.28±0.120.00±0.010.88±0.090.58±0.05   0.03±0.020.00±0.000.17±0.000.01±0.000.01±0.020.03±0.00   130131328   0.050.010.040.080.040.50
注：附件1中标题“含义”下关于通过水解TEOS制备SOLSIL(如通过本发明过程制备的含水的生物来源二氧化硅的商品名)的假设是不正确的。本附件中提及的SOLSIL根据本发明中方法所制备。
附录B是关于含水的生物来源二氧化硅某些应用的大学报告。该报告确认了含水的生物来源二氧化硅可被用于挽救污染介质。
根据本发明制备的含水的生物来源二氧化硅因而可用于从溶液和气相中去除污染物(重金属、有机物和放射性物质)形成可被倾倒填埋或再利用加工的固相。也可处理污染的土壤、水、淤泥和固体，使可溶的或可滤的部分成为不可滤的、不可溶的或不反应的状态。
图4展示结晶硅酸盐的基本模型。图5展示据此发明制备的水性生物来源二氧化硅的化学结构。如图5可见，该结构包含大量的自由连接位点。因此，结晶的水性生物来源二氧化硅高度活泼。
图6展示硅酸盐中一个单独的氧硅键的化学结构。结晶的水性生物来源二氧化硅中，二氧化硅元件处于图7中所示胶体状态。处于胶体状态时，本发明中结晶的水性生物来源二氧化硅具有大量的活性位点和节间位点以容纳其它元素。图8展示了结晶的水性生物来源二氧化硅胶体基质的展开图。图9展示了结晶的水性生物来源二氧化硅的胶体间连接位点。
应用的例子如下：
废料管理，水处理中利用化学键与反应性二氧化硅胶体结合的方法从气、液和固相中去除可滤、可溶或反应性状态的有毒材料。
矿藏开采(采矿)，如贵金属和放射性物质的提炼。
生物用途如肥料，医学用途如从人体细胞中提取重金属和放射性物质。
从溶液中去除放射性元素并使其在土壤中稳定以防止环境污染。
光学材料和衬里材料。
水泥增强和防水/耐酸。
阻燃性。用可溶性二氧化硅浸湿或注射的木材、纸、泡沫(易燃材料)展现了优秀的阻燃性。
防白蚁。二氧化硅比白蚁的牙齿坚固从而防止白蚁攻击木材。这是比铜、铬砷处理更加经济的替代方法。
结晶的水性生物来源二氧化硅是硅的极纯状态，所以对于电子/计算机工业中的电导体是很理想(的材料)。计算机新时代的发展需要超纯态二氧化硅，这种形式也许是目前可利用的最纯的矿石。
化学结合和从液态重金属产生固相的机制等
无定形和结晶的水性生物来源二氧化硅胶体具有净正电荷或负电荷，并存在于酸或碱的环境中。带有相似电荷的粒子由于极性相斥，因此使硅氧烷胶体在溶液中分离。然而，当重金属结合于这些带电连接位点时，化学键势得到满足，所有胶体电荷(正电荷或负电荷)被消减，产生的聚合物、盐沉淀形成固相。化学键合和吸附的强度足以抵抗浸出回溶液，因此解决工业和开采废料造成的污染。
所有重金属(除Cr+6放射性核素外)和某些有机物(如氰化物)，通过加入可溶的无定形和结晶的水性生物来源二氧化硅从而某种程度上(至少50％)从溶液中去除并进入沉淀。在溶液中去除某些元素比其它元素更加困难。
例如
当pH范围1到12，原始浓度为10ppm时需要加入0.1％w/w可溶的结晶的水性生物来源二氧化硅从溶液中去除98％(并稳定)的锌。在相同pH范围时无定形的则去除82％。
当pH范围1到10，原始浓度为2350ppm时需要加入40％w/w可溶的结晶的水性生物来源二氧化硅从溶液中去除96％的镉。对于镉和镍，无定形的水性生物来源二氧化硅效率远低于结晶水性生物来源二氧化硅。
在所有的pH范围下，加入20％w/w结晶和无定形的水性生物来源二氧化硅能从溶液中去除100％的砷+5。
当pH5-7且原始浓度为1340ppm时需要加入20％Fe2+作为共沉淀剂和20％结晶水性生物来源二氧化硅去除100％砷+3。同样条件下加入无定形的水性生物来源二氧化硅可去除99％砷+3。
铬Cr+6在此过程中不稳定。
当pH6-7且原始浓度为10000ppm时，铬Cr+3需要加入100％(1∶1)结晶水性生物来源二氧化硅去除溶液中99.7％Cr+3，然而当pH7-12时，无定形的水性生物来源二氧化硅去除溶液中99.6％Cr+3。
目前Cr+6无法工业化处理使之达到政府环境标准。然而加入还原剂如以Na(Ms)：Cr+6之比为1.5-1的比例加入偏硫酸氢钠，Cr+6可转化为Cr+3。然后水性生物来源二氧化硅可成功将Cr+6去除并达到政府要求。
当酸性环境下如pH小于7时，加入20％结晶或无定形水性生物来源二氧化硅可去除溶液中90％汞。
放射性钴60则需要加入惰性钴如氯化钴作为共沉淀剂以提高溶液中的清除率，加入10％结晶水性生物来源二氧化硅和10％氯化钴使清除率由13％提高到78％。
从水中包括海水中去除盐和矿物质。
粘质土可由根据本发明方法制备的二氧化硅稳定。二氧化硅在粘质土内形成结晶基质，处理过的粘质土有增强特性。粘土中加入0.2重量％到2重量％的SOLSIL使粘土能抵抗因毛细管作用造成的水/潮气摄取。潮湿时，经由SOLSIL处理的粘土比未处理的更加干燥。当SOLSIL处理的粘土浸入水中时，比未经处理的粘土蓄水量大50％以上。当反转(invert)包含浸湿的未经处理粘土的容器时，至少有50％的水(脱色的)从粘土中分离；当SOLSIL处理的粘土(比未经处理的粘土含水多50％以上)反转时，没有水从粘土中分离。
当处理过的粘土(干燥)立于浅水容器时，SOLSIL使粘土拥有防水性。当处理过的粘土(干燥)浸没水中时，SOLSIL则使粘土有改良的水保留性且处理过的粘土保持形状。
当SOLSIL处理的粘土被水饱和时，比未处理的粘土膨胀更多。当干燥时，处理过且饱和的粘土并不像未处理过的粘土那样收缩和产生裂缝。当未处理过的饱和粘土干燥时，它会收缩并形成小团块或胶体。当处理过并饱和的粘土干燥时，保持一致性而并未有团块、胶体或缝隙。
结晶SOLSIL在粘土应用时比无定形SOLSIL更加有效。这可能由于结晶SOLSIL比无定形SOLSIL有更小的颗粒或胶体尺寸，因此能够更有效的渗透粘土颗粒。
由于处理过的粘土相对防水，SOLSIL可应用于农业目的上在牧场和土地上的细菌接种。若将细菌接种体混入SOLSIL处理的粘土，造粒并干燥，细菌成为休眠状态并需要大量水分以“唤醒”或激活。接种的SOLSIL粘土颗粒播撒于土壤/牧场中。SOLSIL粘土的防水性防止因小雨、阵雨、露或轻微的下层土壤的水分而造成细菌浸湿，保证了当大雨、饱和土壤水分时细菌的完整性，当豆类植物需要细菌增强根瘤的固氮时，SOLSIL吸收足够的水分使休眠细菌激活。
若细菌接种体被轻微水分激活又因缺乏明显的大雨而干燥，野外条件下细菌会死亡，重新接种必须在大雨发生后进行。
干燥条件下SOLSIL粘土细菌接种于土壤/牧场的应用对于农民有很多优点。它允许农民在时间充裕时于干燥时期(季前)接种，因为当雨季来临时，有更多重要的事情做。如果暴雨来临，时间会延长更久直到农民体力上能够将设备动到潮湿土壤上，这样就错失至关重要的早期接种豆科植物和牧场的机会。—
SOLSIL/粘土快跑能够包被种子然后于季前播种于干燥的土壤中(干播种)。这样就能摄取足够的雨水/土壤水分以萌发种子从而提高干播种的成功。若未处理的种子播种后有少量雨水，种子萌发。接下来的2-3周如果没有雨水，秧苗死亡并导致收割失败或耗时费钱的重播种。
虽然上面以本发明说明性实施例的方式进行阐述，但本领域技术人员明白可以进行许多改变和修改，而不背离如本发明权利要求书中所列的本发明宽泛界线和范围。

Claims (27)

1.一种制备生物来源二氧化硅的方法，所述方法包括：
a)在最高达1200℃的温度下焚烧携带二氧化硅的有机原料，使焚化的二氧化硅有机原料冷却；
b)将焚化并冷却的携带二氧化硅的有机原料加入预加热到温度最高达约65℃的碱溶液，或者碱溶液与有机原料一起加热到最高达约65℃的温度，所述碱溶液包含在容器中，pH最高达14；
c)加热使容器中加入的有机原料和碱溶液的温度为100℃-最高约300℃并保持1-4小时，从而形成来自有机原料的水性生物来源二氧化硅和不溶杂质；和
d)从该容器提取水性生物来源二氧化硅。
2.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
e)将提取的水性生物来源二氧化硅固化至固体形式。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述携带二氧化硅的有机原料选自稻壳、小麦壳和含有高水平二氧化硅的草本或其中两种或多种的组合。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述草本包括异株荨麻(小荨麻)和木贼(马尾)。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，加入的携带二氧化硅的有机原料占2-22重量％，碱溶液中的氢氧化物占3-8重量％，碱溶液中的水占70-95重量％。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述氢氧化物选自氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化钾、氢氧化铷、氢氧化铯和氢氧化钫。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，加入的携带二氧化硅的有机原料中比例是：约320g的焚化稻壳、约160g氢氧化物的碱溶液和3升水。
8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，对所述容器加压，以便在相对高的压力下加热。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述容器具有顶端开口，开口上盖有具有用于释放容器中过高压力的减压阀的可锁闭盖。
10.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，在最高达700℃的温度下焚烧所述携带二氧化硅的有机原料，以形成可溶性无定形二氧化硅，因而提取的水性生物来源二氧化硅是无定形的。
11.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，在700℃-1200℃的温度下焚烧所述携带二氧化硅的有机原料，形成可溶性晶体二氧化硅，因而提取的水性生物来源二氧化硅是晶体。
12.一种根据权利要求10所述方法生产的无定形水性生物来源二氧化硅。
13.一种根据权利要求10所述方法生产的无定形固体生物来源二氧化硅。
14.一种根据权利要求11所述方法生产的结晶的水性生物来源二氧化硅。
15.一种根据权利要求11所述方法生产的结晶的固体生物来源二氧化硅。
16.一种挽救含有无机和/或有机污染物的介质的方法，所述方法包括将介质与含有根据权利要求12-15中任一项所述方法获得的水性或固体生物来源二氧化硅的基质产生剂相接触，加入所述基质产生剂是为了在介质中产生硅酸盐基质，所述基质具有多个用于连接污染物的反应活性位点。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述介质与基质产生剂混合，并且在足够高的温度加热得到的混合物足够长的时间，以在所述混合物内产生干酪根化合物。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述干酪根化合物具有无特定顺序的大有机地质聚合物的干酪根样或干酪根结构，因此干酪根化合物具有不规则结构，且包括脂族和芳族组分，并能够将较小的有机和无机分子包裹到其中。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述干酪根化合物通过发生在基质中反应性位点上的缩聚反应形成，然后干酪根化学连接于基质，且所述干酪根通常不溶于水和大多数有机溶剂。
20.如权利要求16-19中任一项所述的方法，其特征在于，所述有机污染物包括P.C.B.、聚芳族烃、杀虫剂、除草剂、杀昆虫剂和相关化合物、卤化溶剂、呋喃、挥发性烃如苯、甲苯、二甲苯和其它常见的有机污染物。
21.如权利要求16-19中任一项所述的方法，其特征在于，所述无机污染物包括铅、镉、汞、铬、钒等中任一种重金属和/或铀、锶、钍和其它锕系元素中任何放射性元素和/或含有放射性元素例如放射性碘的任何物质。
22.如权利要求16-21中任一项所述的方法，其特征在于，所述介质包括土壤、沉积物、淤泥、水、空气和其它相似材料。
23.一种用权利要求12或14所述的生物来源的水性二氧化硅处理的建筑材料或建筑物，所述处理使建筑材料或建筑物具有充分良好的阻燃性和/或防白蚁特性。
24.一种用权利要求12-15中任一项所述的二氧化硅制造的半导体晶片。
25.一种用于有机栽培的肥料，所述肥料包含权利要求12-15中任一项所述的二氧化硅。
26.一种从动物中去除大量重金属和/或降低显著放射性水平的方法，所述方法包括摄入权利要求12-15中任一项所述的二氧化硅。
27.一种处理粘质土的方法，所述方法包括将权利要求12-15中任一项所述的水性或固体的生物来源二氧化硅加入大量粘质土中，所述二氧化硅与粘质土的重量比为0.2％-2％。
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