利用電廠(chǎng)脫硫石膏超聲制備工業(yè)填料硫酸鈣晶須201長(zhǎng)沙理工大學(xué)

附件4湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃

項(xiàng)目申報(bào)表項(xiàng)目名稱(chēng)禾傭電廠(chǎng)脫硫石膏超聲制備工業(yè)填料硫酸鈣晶須學(xué)校名稱(chēng)長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)生姓名學(xué)號(hào)專(zhuān) 業(yè)性別入學(xué)年份^大廈201267390318應(yīng)用化學(xué)男2012江志剛201267090321應(yīng)用化學(xué)男2012何艷琪201267090101應(yīng)用化學(xué)女2012韓穎201267090102應(yīng)用化學(xué)女2012許秋霞201267090110應(yīng)用化學(xué)女2012指導(dǎo)教師朱玲職稱(chēng)副教授項(xiàng)目所屬一級(jí)學(xué)科學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況(1)韓穎、何艷琪同學(xué)作為主要成員參與了“植物絕緣油的制備及其性能的研究”校級(jí)項(xiàng)目的研究。⑵項(xiàng)目組五位同學(xué)參與了“以磷石膏為原料制備納米碳酸鈣及生物醫(yī)用納米羥基磷灰石”校級(jí)項(xiàng)目的研究。指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況1)超聲波輔助離子液體法合成稀土氟化物納米晶及其光學(xué)性能研究(21001017),國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，2011.0101-2013.12.30，19萬(wàn)元，項(xiàng)目主持人；2)熒光光譜法在熱障涂層無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用研究(RERU2011018),稀土資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金，2011.0101-2012.12.30，6萬(wàn)元，項(xiàng)目主持人；3)以磷石膏為原料制備納米碳酸鈣及生物醫(yī)用納米羥基磷灰石，貴州省科技廳項(xiàng)目，2010.0101-2011.12.30，3萬(wàn)元，項(xiàng)目主持人；4)稀土熒光探針的制備及其在熱障涂層無(wú)損失效檢測(cè)中的應(yīng)用(2011CL02)，電力與交通材料保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金，2011.0101-2011.12.30，1萬(wàn)元，項(xiàng)目主持人；5)新型防污閃納米SiO2/FEVE氟碳復(fù)合涂料的合成及性能研究(2014CL03),電力與交通材料保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金，2014.0101-2015.12.30，1萬(wàn)元，項(xiàng)目主持人；6)基于空心海膽型球殼上TiO2納米管陣列的可控制備及性能研究(21171027)，國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，2012.0101-2015.12.30，55萬(wàn)，主要參與人；7)聚苯胺基復(fù)合定形相變儲(chǔ)熱材料的制備與應(yīng)用研究(13JJ3068)，湖南省自科基金，2014.0101-2016.12.30，3萬(wàn)元，主要參與人；項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要解決的主要問(wèn)題1、研究目的：(1)利用電廠(chǎng)脫硫石膏超聲制備工業(yè)填料硫酸鈣晶須，變廢為寶，極大地提高脫硫石膏的利用率和價(jià)值，解決企業(yè)脫硫石膏環(huán)境污染問(wèn)題；(2)探索各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)，找出利用電廠(chǎng)脫硫石膏超聲制備工業(yè)填料硫酸鈣晶須的最佳條件；(3)對(duì)硫酸鈣晶須產(chǎn)品進(jìn)行表面改性，增強(qiáng)產(chǎn)品的相容性。2、研究?jī)?nèi)容：(1)脫硫石膏成分分析及預(yù)處理，消除雜質(zhì)對(duì)產(chǎn)物的影響。(2)實(shí)驗(yàn)條件(如料漿濃度、脫硫石膏細(xì)度、轉(zhuǎn)晶劑、助晶劑、pH值、溫度、時(shí)間、表面活性劑濃度等)對(duì)脫硫石膏轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)品質(zhì)量的影響，確定反應(yīng)的最佳條件，提高資源的利用率。(3)作用機(jī)理的初步研究。從理論層面及反應(yīng)機(jī)理研究影響硫酸鈣晶須生長(zhǎng)和質(zhì)量的原因，進(jìn)而找到解決方法。(4)硫酸鈣晶須表面改性。對(duì)硫酸鈣晶須產(chǎn)品采用改性劑(如聚乙烯醇、硬脂酸、鈦酸酯、正硅酸乙酯等)進(jìn)行表面改性、分散，提高硫酸鈣晶須的相容性。3、擬解決的主要問(wèn)題：(1)利用脫硫石膏制備優(yōu)質(zhì)的硫酸鈣晶須最佳制備工藝研究，超聲波法合成硫酸鈣晶須的反應(yīng)途徑、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、晶體成核與生長(zhǎng)機(jī)理等規(guī)律研究；(2)弄清轉(zhuǎn)晶劑、助晶劑對(duì)硫酸鈣晶須形成及生長(zhǎng)的作用和影響，弄清體系中各相關(guān)因素對(duì)硫酸鈣晶須的物相、形貌、粒徑分布及其性能的影響。(3)如何實(shí)現(xiàn)企業(yè)脫硫石膏綜合利用的最大經(jīng)濟(jì)化。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)目前，我國(guó)83%的發(fā)電量來(lái)自火力發(fā)電企業(yè)，全國(guó)煤電的比例已達(dá)到55%以上，到2020年煤電的比例還要提高［1］。煤炭的大量使用導(dǎo)致了SO2的排放量劇增，而SO2遇水后形成的酸雨對(duì)環(huán)境和人體健康造成了嚴(yán)重影響。在我國(guó)SO2的排放中，火電廠(chǎng)煙氣SO2排放約占SO2總排放量的一半⑵。目前我國(guó)火電廠(chǎng)普遍采用的煙氣脫硫技術(shù)是世界上應(yīng)用最廣泛的鈣基濕法煙氣脫硫(FGD)。采用該工藝每處理1噸SO2會(huì)產(chǎn)生脫硫石膏2.7噸。每年煙氣脫硫產(chǎn)生的脫硫石膏約為760萬(wàn)噸，全國(guó)堆放的含硫石膏在內(nèi)的化工副產(chǎn)石膏達(dá)4000多萬(wàn)噸⑶。目前，在國(guó)外如日本、德國(guó)、美國(guó)等國(guó)家，脫硫石膏主要用于生產(chǎn)建筑制品和水泥緩凝劑圖。然而，國(guó)內(nèi)對(duì)脫硫石膏的綜合利用還剛剛起步，對(duì)其應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力普遍認(rèn)識(shí)不夠，對(duì)煙氣脫硫石膏的研究主要集中在水泥混凝劑、建材、建筑石膏、土壤改性等方面，但存在產(chǎn)品品質(zhì)不高，價(jià)格比較低廉，產(chǎn)品銷(xiāo)售受到限制［5-6］。因此，如何利用脫硫石膏制備附加值更高，環(huán)境污染更小的產(chǎn)品以拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，是將脫硫石膏變廢為寶的根本途徑。若能將脫硫石膏轉(zhuǎn)化為優(yōu)良的工業(yè)填料硫酸鈣晶須產(chǎn)品，不僅能給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且可以有效的解決環(huán)境污染問(wèn)題，變廢為寶，大大提高脫硫石膏的利用率和價(jià)值。硫酸鈣晶須具有強(qiáng)度高、韌性好、耐高溫、耐腐蝕和電絕緣性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于樹(shù)脂、橡膠、塑料等行業(yè)。硫酸鈣晶須添加到塑料、橡膠中，可提高復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱學(xué)性能，如抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彈性率和熱變形溫度等；也可代替石棉添加到摩擦材料、建筑材料、保溫材料中［7-8］。硫酸鈣晶須性能優(yōu)良、價(jià)格低廉、綠色環(huán)保，具有良好的應(yīng)用前景El*目前，制取硫酸鈣晶須的方法主要有蒸壓法［11—13］和常壓酸法［14-15］。蒸壓法是將一定固液比的二水石膏懸浮液加到水壓熱器中處理，在一定的溫度和壓力下，二水石膏變?yōu)榧?xì)小針狀的半水石膏，再經(jīng)晶形穩(wěn)定化處理，得到半水硫酸鈣晶須。蒸壓法的缺點(diǎn)是需要較高的轉(zhuǎn)化溫度和壓力，且以高壓釜為反應(yīng)設(shè)備，能耗較大，生產(chǎn)成本高，應(yīng)用受到限制。常壓酸化法是指在一定溫度和酸度條件下，高濃度二水石膏懸浮液在酸性溶液中可以轉(zhuǎn)變成針狀或纖維狀半水硫酸鈣晶須。與蒸壓法相比，此方法不需要壓熱器，原料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大大提高，但反應(yīng)體系中酸的用量很大，強(qiáng)酸性的結(jié)晶體系對(duì)反應(yīng)設(shè)備的防腐性能要求極高，不易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。超聲波作為一種新的能量形式作用于化學(xué)反應(yīng)使很多以往不能進(jìn)行或難以進(jìn)行的反應(yīng)得以順利進(jìn)行并已發(fā)展成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域引起了人們極大的興趣。近年來(lái)超聲化學(xué)的發(fā)展更為迅速?gòu)V泛應(yīng)用到合成化學(xué)、材料科學(xué)、生物和化工等領(lǐng)域。在材料的加工、制備過(guò)程中利用聲空化作用產(chǎn)生的物理化學(xué)效應(yīng)可以促進(jìn)非均相界面之間攪動(dòng)和相界面的更新極大地提高反應(yīng)速率加速反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴(kuò)散過(guò)程，消除顆粒間的團(tuán)聚改善料漿的性能誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)合成新材料［16-17］。超聲技術(shù)因其操作簡(jiǎn)單、易于控制、效率高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于無(wú)機(jī)材料的制備，且取得了良好的效果。本項(xiàng)目擬以電廠(chǎng)煙氣脫硫石膏為原料，采用超聲化學(xué)合成工藝制備硫酸鈣晶須，全面分析制備硫酸鈣晶須過(guò)程中的影響因素，系統(tǒng)研究硫酸鈣晶須生長(zhǎng)行為，通過(guò)改變工藝參數(shù)和添加劑的種類(lèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)硫酸鈣晶須生長(zhǎng)行為進(jìn)行控制，為脫硫石膏的高附加值利用提供理論依據(jù)。本項(xiàng)目制備工藝簡(jiǎn)單，成本低，產(chǎn)品質(zhì)量好，易于推廣到工業(yè)化生產(chǎn)，具有明顯的社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。參考文獻(xiàn)：[1]陳勝利，煙氣脫硫石膏資源化利用途徑的探討[J].磚瓦，2010(5):62-64.[2]王小飛，劉倫，馬鵬軍等，火電廠(chǎng)脫硫石膏及其綜合利用[J].神華科技，2009(6):42-45.[3]蘇成，郭欣，華能珞，磺電廠(chǎng)脫硫石膏的綜合利用[J].粉煤灰，2003(3):42-43.[4]李斌，電廠(chǎng)脫硫石膏再利用綜合分析[J].創(chuàng)新論壇?創(chuàng)新技術(shù)，2013(12):62-63.[5]吳曉琴，吳忠標(biāo)，煙氣脫硫石膏資源化利用現(xiàn)狀及展望[J].重慶環(huán)境科學(xué)，2003(11):192-195.[6]鐘莎，陳堅(jiān)軍，脫硫石膏綜合利用現(xiàn)狀[J].廣東化工，2010(6):195-197.Wang,J.C.,Pan,X.C.,Xue,Y,Cang,S.J.,Studiesontheapplicationpropertiesofcalciumsulfatewhiskerinsiliconerubberc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濾液丁干燥 成分分析添加劑表面改性 循環(huán)利用，溶 解^ 解FED石膏硫酸鈣晶須圖一：硫酸鈣晶須制備工藝流程圖(1)脫硫石膏成分分析及預(yù)處理脫硫石膏中主要含有Al2O3、SiO2、MaO、Fe2O3、CaO及亞硫酸鹽等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)對(duì)硫酸鈣晶須產(chǎn)物的品質(zhì)及純度造成較大影響，所以首先要分析脫硫石膏中的雜質(zhì)成分及含量，并通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)體系pH值，或加入絡(luò)合劑來(lái)進(jìn)行預(yù)處理。（2）超聲波法制備硫酸鈣晶須工藝設(shè)計(jì)采取超聲波法在常溫常壓條件下制備硫酸鈣晶須。以我省長(zhǎng)安益陽(yáng)發(fā)電有限公司的脫硫石膏為原料，首先對(duì)其進(jìn)行研磨，然后加水，加酸調(diào)節(jié)pH值約2-5,加入轉(zhuǎn)晶劑如檸檬酸、草酸、酒石酸或十二烷基苯磺酸鈉等及助晶劑配制漿料后，超聲反應(yīng)2-3小時(shí)，制備半水或無(wú)水硫酸鈣晶須，脫水、干燥、表面改性，得到高品質(zhì)硫酸鈣晶須產(chǎn)品。具體技術(shù)路線(xiàn)見(jiàn)圖一。①工藝參數(shù)的確定。工藝參數(shù)由料漿濃度、pH值、反應(yīng)溫度與時(shí)間、脫硫石膏細(xì)度、晶種等組成。以上幾個(gè)因素在不同的配比和組合下，對(duì)產(chǎn)物的形貌及粒徑有較大影響。②轉(zhuǎn)晶劑的確定。脫硫石膏制硫酸鈣晶須的過(guò)程中需要加入晶形轉(zhuǎn)化劑，即轉(zhuǎn)晶劑。研究轉(zhuǎn)晶劑的摻加對(duì)硫酸鈣晶須的形成和晶形的作用。③晶體形貌的控制。晶體的形貌決定于晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)時(shí)的物理化學(xué)條件，在不同生長(zhǎng)條件下晶體各個(gè)面族生長(zhǎng)速率比發(fā)生變化，進(jìn)而改變結(jié)晶習(xí)性。轉(zhuǎn)晶劑的種類(lèi)和摻量不同直接影響到硫酸鈣的晶體形貌，尤其是