顆粒學(xué)學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望

顆粒學(xué)學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室葉旭初目錄1234顆粒學(xué)概述顆粒學(xué)在國民經(jīng)濟(jì)中的戰(zhàn)略地位顆粒學(xué)現(xiàn)狀與展望結(jié)語顆粒測(cè)試學(xué)顆粒制備與處理納米顆粒研究顆粒多相流（流態(tài)化）工程學(xué)氣溶膠科學(xué)技術(shù)1、顆粒學(xué)概述顆粒學(xué)顆粒學(xué)拉丁前綴

particula

（顆粒）希臘后綴logia（學(xué)問）

Particuology研究顆粒形成、形態(tài)（貌）、性能、運(yùn)動(dòng)（流動(dòng)）和變化規(guī)律及其工程應(yīng)用的科學(xué)。圖片，顆粒各種形態(tài)氣流顆粒多相流2、顆粒學(xué)在國民經(jīng)濟(jì)中的戰(zhàn)略地位跨學(xué)科、跨理、工、農(nóng)、醫(yī)等領(lǐng)域交叉性強(qiáng)，技術(shù)的實(shí)用性強(qiáng)涉及能源、化工、材料、建材、輕工、冶金、電子、氣象、食品、醫(yī)藥、環(huán)境、航空和航天等多個(gè)領(lǐng)域顆粒表征（測(cè)量）、顆粒制備與處理、顆粒多相流（如流態(tài)化）、超微（納米）顆粒、氣溶膠——工程應(yīng)用顆粒學(xué)特點(diǎn)領(lǐng)域?qū)W科3、現(xiàn)狀與展望3.1、顆粒測(cè)試學(xué)研究進(jìn)展激光粒度分析儀以激光作為探測(cè)光源的粒度分析儀器1243原理靜態(tài)光散射原理動(dòng)態(tài)光散射原理

光阻法顆粒計(jì)數(shù)器光脈動(dòng)法粒度儀靜態(tài)光散射原理根據(jù)不同大小的顆粒對(duì)光的散射有不同的角分布的原理根據(jù)微小顆粒（通常小于1μm）在液體中的布朗運(yùn)動(dòng)，引起散射光的頻率移動(dòng)（或相位變化），散射光相互干涉，使得某觀察點(diǎn)上散射光強(qiáng)隨時(shí)間變化的原理動(dòng)態(tài)光散射（光子相關(guān)光譜）原理我國的激光粒度儀原理：基于靜態(tài)光散射原理的儀器主要研制單位：包括天津大學(xué)，濟(jì)南大學(xué)，上海理工大學(xué)，丹東儀表所等。時(shí)期：自80年代開始3.1、顆粒測(cè)試學(xué)研究進(jìn)展近十年的突破結(jié)構(gòu)測(cè)試基礎(chǔ)理論天津大學(xué)雙譜面結(jié)構(gòu)濟(jì)南微納樣品池華南師大折射率測(cè)量珠海歐美克全自動(dòng)系統(tǒng)丹東百特的兩種光學(xué)結(jié)構(gòu)不同形狀、大顆粒的散射光分布的計(jì)算數(shù)據(jù)反演算法的改進(jìn)該方法對(duì)高達(dá)20%的噪聲仍可獲得滿意結(jié)果3.1、顆粒測(cè)試學(xué)研究進(jìn)展3.1、顆粒測(cè)試學(xué)研究進(jìn)展納米粒度及粒度分布測(cè)量方法一覽表分析方法粒度范圍/μm

特點(diǎn)光子相關(guān)光譜或動(dòng)態(tài)光散射0.001～10應(yīng)用廣，可測(cè)分子量，有標(biāo)準(zhǔn)，但分散困難電泳光散射0.003～30應(yīng)用廣，快，但分散困難電遷移0.005～1氣溶膠分析擴(kuò)散電池0.005～0.2氣溶膠分析，有標(biāo)準(zhǔn)激光衍射0.05～8000動(dòng)態(tài)快速，應(yīng)用廣，有標(biāo)準(zhǔn)，但分散困難超聲譜0.01～100可測(cè)較高濃度電聲譜0.001～1200可測(cè)較高濃度離心沉降0.02～30有ISO標(biāo)準(zhǔn)，但分散困難濁度法0.003～30分散困難X光小角散射0.003～0.5有標(biāo)準(zhǔn)毛細(xì)管流動(dòng)色譜0.02～50需另外檢測(cè)方法配套場(chǎng)流分級(jí)0.001～500需另外檢測(cè)方法配套穆斯堡爾譜<0.01測(cè)鐵磁性顆粒電鏡0.001～200分明、暗場(chǎng)，有標(biāo)準(zhǔn)3.2、顆粒制備與處理的研究進(jìn)展內(nèi)容顆粒制備、表面處理、應(yīng)用、制備工藝與設(shè)備、輔助過程與設(shè)備（包括造粒、濃縮、過濾、提純、干燥、包裝、輸運(yùn)、收集、除塵、計(jì)量與控制等）（一）顆粒的物理制備（1）不同尺度顆粒的物理制備（粉磨）（一）顆粒的物理制備（2）顆粒粉磨3.2、顆粒制備與處理的研究進(jìn)展粉磨氣流磨、分級(jí)試驗(yàn)平臺(tái)砂磨機(jī)、氣流磨（一）顆粒的物理制備（3）顆粒分級(jí)（選粉機(jī)）3.2、顆粒制備與處理的研究進(jìn)展照片，粉磨動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)研究

φ20×20mm鋼鍛粉磨-2.00+1.70mm粒級(jí)熟料粉碎速率最高。

6萬噸/年1250目超細(xì)粉體粉碎生產(chǎn)車間（2000年）超細(xì)氧化鋅（ZnO）顆粒的粒度分布

(a)研磨前（b）研磨后2008年與南京鉛鋅銀錳礦集團(tuán)合作項(xiàng)目973項(xiàng)目資助高效節(jié)能工業(yè)應(yīng)用粉磨裝置模型裝置圖973項(xiàng)目資助高效節(jié)能工業(yè)應(yīng)用粉磨裝置20萬噸/年礦渣工業(yè)化裝置投入試生產(chǎn)–失敗顆粒的應(yīng)用研究P0：未分級(jí)熟料；P1(0,3)m；P2(3,16)m；P3(16,32)m；

P4(32,45)m；

P5(45,64)m；P6(64,80)m(0,3)m、(3,16)m和(16,32)m的熟料強(qiáng)度發(fā)展最快，28d達(dá)到最大；(32,45)m和(45,64)m強(qiáng)度持續(xù)增長，呈線性；(64,80)m強(qiáng)度最低；P0，未分級(jí)熟料，強(qiáng)度最高；試驗(yàn)在重復(fù)驗(yàn)證中（二）顆粒的化學(xué)制備3.2、顆粒制備與處理的研究進(jìn)展原理

通過外部環(huán)境的改變或化學(xué)反應(yīng)，使溶質(zhì)從過飽和的分散相(氣相或液相)中析出，形成固體。特點(diǎn)化學(xué)反應(yīng)容易實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒組分、形貌和粒徑分布的控制，可以得到納米級(jí)的均勻顆粒。方法化學(xué)沉淀法、溶膠-凝膠法(Sol-Gel)、微乳液法、水/溶劑熱合成法、高溫燃燒合成法、熱分解法、模板合成法，以及電解法等。顆粒的可控生長是化學(xué)法合成顆粒的關(guān)鍵。（一）顆粒的物理制備（3）顆粒形狀控制技術(shù)3.2、顆粒制備與處理的研究進(jìn)展（4）助磨技術(shù)（5）數(shù)字化制造與模擬技術(shù)（三）顆粒的表面改性處理3.2、顆粒制備與處理的研究進(jìn)展處理工藝液相法處理、干法改性處理、氣相法處理、機(jī)械力化學(xué)處理、高能輻射（包括等離子體、激光、電子束等）處理等處理設(shè)備液相法改性：可控溫?cái)嚢璺磻?yīng)釜、可控溫?cái)嚢璺磻?yīng)罐、濕法攪拌磨等；干法改性：間歇式的高攪機(jī)和連續(xù)式的SLG型粉體表面改性機(jī)、PSC型粉體表面改性機(jī)等；機(jī)械力化學(xué)處理設(shè)備：振動(dòng)磨、球磨機(jī)、氣流粉碎機(jī)、行星磨等；氣相處理：流化床、氣流湍流顆粒分散與改性設(shè)備等；高能輻射處理：等離子體型、激光束型、電子束型等設(shè)備。表面改性劑偶聯(lián)劑（鈦酸酯偶聯(lián)劑、硅烷偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑）表面活性劑有機(jī)低聚物有機(jī)硅（三）顆粒的表面改性處理3.2、顆粒制備與處理的研究進(jìn)展微/納米顆粒復(fù)合化改性將微米/納米顆粒子粒子附著在微米顆粒母粒子表面，以改變母粒子的表面性質(zhì)、表面粗糙度、消除其尖銳的棱角、制備微納米復(fù)合顆粒是目前一種新發(fā)展的顆粒表面改性處理方法主要方法：物理方法、機(jī)械方法、化學(xué)方法改性效果的評(píng)價(jià)直接法：通過表面改性前后粉體的表面物理化學(xué)性質(zhì)和體相性質(zhì)的變化來表征和評(píng)價(jià)顆粒表面改性的效果間接法：通過評(píng)價(jià)表面改性前后粉體在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中的應(yīng)用性能來評(píng)價(jià)粉體表面改性的效果（四）存在的問題及挑戰(zhàn)3.2、顆粒制備與處理的研究進(jìn)展（1）物理制備（2）化學(xué)制備（3）粉體表面改性3.3、納米顆粒研究的新進(jìn)展納米顆?？煽刂苽湫录夹g(shù)的發(fā)展納米顆粒性能調(diào)控和優(yōu)化取得新成果納米顆粒應(yīng)用新領(lǐng)域的探索研究空心球納米顆粒制備技術(shù)液相燒蝕方法納米顆粒制備技術(shù)原位轉(zhuǎn)化方法納米顆粒制備技術(shù)有機(jī)污染物和重金屬的痕量探測(cè)和治理納米礦物材料的新應(yīng)用設(shè)計(jì)構(gòu)筑納米顆粒有序結(jié)構(gòu)引入缺陷調(diào)控納米顆粒性質(zhì)（一）研究現(xiàn)狀與進(jìn)展基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究快速流態(tài)化20世紀(jì)70-90年代郭慕孫先生著名的Li-Kwauk模型20世紀(jì)80-90年代后液固流態(tài)化密度接近，流態(tài)化行為更為理想液固循環(huán)流化床和氣液固漿態(tài)床20世紀(jì)80年代基于廣義流態(tài)化概念的下行式氣固反應(yīng)器軸向返混成數(shù)量級(jí)的減弱流動(dòng)結(jié)構(gòu)均勻氣固多相流20世紀(jì)90年代以來雙流體模型離散顆粒模型擬顆粒模型計(jì)算流體力學(xué)（CFD技術(shù)）近年來特殊的學(xué)科發(fā)展分支超細(xì)顆粒或納米顆粒的流化外場(chǎng)作用下的流化床（如磁場(chǎng)、微波、聲場(chǎng)、等離子體等）3.4、顆粒多相流（流態(tài)化）工程學(xué)的研究進(jìn)展（一）研究現(xiàn)狀與進(jìn)展化工和石油化工領(lǐng)域的流態(tài)化反應(yīng)器研究兩段提升管催化裂化技術(shù)，輔助反應(yīng)器汽油改質(zhì)降烯烴技術(shù)IP技術(shù)FDFCC技術(shù)催化裂化工藝

新型催化劑和工藝技術(shù)原料重質(zhì)化、劣質(zhì)化Text以更差的原料生產(chǎn)出更加清潔的輕質(zhì)油品Text日益苛刻的環(huán)保要求煉化一體化，生產(chǎn)以低碳烯烴為主的石油化工原料配套的流態(tài)化工程技術(shù)3.4、顆粒多相流（流態(tài)化）工程學(xué)的研究進(jìn)展`煤燃燒和氣化等流態(tài)化過程的研究四噴嘴煤氣化技術(shù)華東理工大學(xué)循環(huán)流化床燃燒技術(shù)中國科學(xué)院工程熱物理研究所浙江大學(xué)清華大學(xué)西安熱工研究院華中科技大學(xué)東南大學(xué)核心技術(shù)：下排氣旋風(fēng)分離器循環(huán)床鍋爐高溫分離型燃煤循環(huán)流化床鍋爐劣質(zhì)煤循環(huán)流化床燃燒技術(shù)煤矸石/石煤循環(huán)流化床燃燒技術(shù)水冷異型分離循環(huán)流化床鍋爐超臨界煤燃燒技術(shù)煤化工產(chǎn)業(yè)鏈下游相關(guān)技術(shù)清華大學(xué)萬噸級(jí)漿態(tài)床甲醇技術(shù)一步法合成氣制二甲醚技術(shù)大連化物所甲醇制低碳烯烴（MTO，MTP）技術(shù)（一）研究現(xiàn)狀與進(jìn)展3.4、顆粒多相流（流態(tài)化）工程學(xué)的研究進(jìn)展CFD技術(shù)在多相流中的應(yīng)用研究CFD的特點(diǎn)：CFD是仿真技術(shù)中的一種，其特點(diǎn)都是以描述該類物理或化學(xué)現(xiàn)象的理論方程為基礎(chǔ)（代數(shù)、微分方程等），采用計(jì)算機(jī)，運(yùn)用一定的數(shù)學(xué)方法加以離散與求解，最終得到一系列對(duì)工程實(shí)踐具有指導(dǎo)意義的規(guī)律性的研究結(jié)果。分析、評(píng)估在給定條件下的工程設(shè)計(jì)合理性，并確定修正措施。“CFD”-ComputationalFluidDynamics(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))CFD技術(shù)-現(xiàn)廣義地將對(duì)工程中的流體流動(dòng)、傳熱、燃燒、化學(xué)反應(yīng)、多相流等的數(shù)值模擬（Simulation）同稱為CFD技術(shù)（一）研究現(xiàn)狀與進(jìn)展3.4、顆粒多相流（流態(tài)化）工程學(xué)的研究進(jìn)展CFD技術(shù)在多相流中的應(yīng)用研究

900℃

850℃

800℃溫度分布分解爐煤粉燃燒、生料分解過程南京工業(yè)大學(xué)安徽海螺建材設(shè)計(jì)研究院顆粒運(yùn)動(dòng)3.4、顆粒多相流（流態(tài)化）工程學(xué)的研究進(jìn)展CFD技術(shù)在多相流中的應(yīng)用研究氣噴旋沖濕法脫硫工程中的漿液流場(chǎng)模擬速度場(chǎng)分布0.005固相顆粒組分等值面氣相組分等值面0.05脫硫工程裝置側(cè)進(jìn)式攪拌器安裝圖3.4、顆粒多相流（流態(tài)化）工程學(xué)的研究進(jìn)展南京工業(yè)大學(xué)上海寶山鋼鐵股份有限公司鍋爐脫硝（NOX）動(dòng)畫-顆粒流動(dòng)CFD技術(shù)在多相流中的應(yīng)用研究回轉(zhuǎn)窯煤粉燃燒器南京工業(yè)大學(xué)窯內(nèi)溫度分布出口速度矢量圖3.4、顆粒多相流（流態(tài)化）工程學(xué)的研究進(jìn)展1、國際大公司高校的資助逐漸縮減2、最早期技術(shù)專家退休，國際研究組發(fā)生較大變遷3、相關(guān)的新研究領(lǐng)域不能形成大的科學(xué)共識(shí)和廣闊的產(chǎn)品應(yīng)用過程（二）存在問題及挑戰(zhàn)3.4、顆粒多相流（流態(tài)化）工程學(xué)的研究進(jìn)展從流態(tài)化學(xué)科基礎(chǔ)研究的發(fā)展角度1重視從微觀尺度揭示固體顆粒和流體相互作用規(guī)律2重視發(fā)展先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)3重視發(fā)展前沿的多相流模型理論和建立快速、高效率的計(jì)算模擬技術(shù)5重視發(fā)展超細(xì)顆粒以及納米顆粒的流態(tài)化技術(shù)和理論基礎(chǔ)從流態(tài)化服務(wù)于工業(yè)化過程的角度通過流化床反應(yīng)器組合技術(shù)及新型催化劑和工藝，實(shí)現(xiàn)煉化一體化，發(fā)展重油、劣質(zhì)油為原料的催化裂化過程1重視發(fā)展先進(jìn)的流化床技術(shù)，尤其針對(duì)傳統(tǒng)固定床工藝的弱點(diǎn)，充分利用大型流化床技術(shù)的優(yōu)勢(shì)2重視流化床技術(shù)在資源提取過程的應(yīng)用和高效率3重視流態(tài)化技術(shù)在煤化工中的重要作用4重視流態(tài)化技術(shù)在生物質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用5重視流態(tài)化技術(shù)在一些高耗能行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新6重視聚合流態(tài)化反應(yīng)工程的發(fā)展7（三）機(jī)遇、展望、思路3.4、顆粒多相流（流態(tài)化）工程學(xué)的研究進(jìn)展4重視多相流的計(jì)算模擬技術(shù)在具有多相流特征的新裝備開發(fā)中的應(yīng)用3.5、氣溶膠科學(xué)技術(shù)研究進(jìn)展氣溶膠被認(rèn)為是與溫室氣體、土地利用、太陽活動(dòng)等同等重要的全球氣候變化的驅(qū)動(dòng)因子，也是氣候強(qiáng)迫中最不確定性的因子之一，是當(dāng)前國際熱門課題。

大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的多相體系（PM2.5）大氣氣溶膠（簡稱氣溶膠）《Nature》，《Science》“長江、珠江三角洲地區(qū)土壤和大氣環(huán)境質(zhì)量變化規(guī)律與調(diào)控原理”973“燃燒源可吸入顆粒物的形成與控制技術(shù)基礎(chǔ)研究”“燃燒源可吸入顆粒物的形成與控制技術(shù)基礎(chǔ)研究”“中國大氣氣溶膠及其氣候效應(yīng)的研究”3000萬“重點(diǎn)城市群大氣復(fù)合污染防治技術(shù)與集成示范”重大項(xiàng)目8632.5億國家自然科學(xué)基金氣溶膠研究項(xiàng)目與投入3.5、氣溶膠科學(xué)技術(shù)研究進(jìn)展（一）國內(nèi)近5年的主要研究進(jìn)展我國氣溶膠研究的主要成果和進(jìn)展1、更寬范圍粒子譜分布的測(cè)試技術(shù)2、初步分析了有機(jī)氣溶膠的來源及二次有機(jī)氣溶膠的產(chǎn)生與演變3、對(duì)我國大氣氣溶膠輻射特性與時(shí)空分布特征有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)4、建立了相應(yīng)的觀測(cè)臺(tái)，對(duì)不同波段氣溶膠光學(xué)厚度展開了遙感觀測(cè)5、引進(jìn)機(jī)載的PMS和DMT測(cè)量系統(tǒng)，研究我國大氣污染分布和傳輸，以及大氣污染與云和降水影響等6、實(shí)驗(yàn)室模擬技術(shù)7、碳?xì)馊苣z排放狀況、時(shí)空分