基本信息
- 項目名稱：
- 電廠脫硫石膏資源化制備硫酸鈣晶須及改性應用
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本項目是在燃煤電廠脫硫石膏資源化利用創(chuàng)新技術(shù)基礎上提出的，針對量大面廣、污染嚴重的脫硫石膏，回收利用電廠廢熱蒸汽資源，采用創(chuàng)新的重結(jié)晶法制備性能優(yōu)異、成本低廉的硫酸鈣晶須材料，旨在提高大宗脫硫石膏及其他工業(yè)副產(chǎn)石膏的利用率。本項目采用常壓重結(jié)晶法制備硫酸鈣晶須，對反應條件精度要求低，有利于處理量大面廣、環(huán)境污染嚴重的脫硫石膏及其他工業(yè)副產(chǎn)石膏，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，已與多家下游應用企業(yè)簽訂合作意向。
- 詳細介紹：
- 1）立項意義 煤炭占我國各能源發(fā)電比例近70%，煤炭燃燒產(chǎn)生大量二氧化硫，我國80%以上燃煤電廠采用煙氣濕法脫硫, 2009年我國工業(yè)副產(chǎn)石膏產(chǎn)量約1.18億噸，綜合利用率僅38%，脫硫石膏產(chǎn)量達4300萬噸，工業(yè)副產(chǎn)石膏堆存量超過3億噸，脫硫石膏堆存量超過5000萬噸，形成二次污染，造成嚴重的環(huán)境、生態(tài)問題和經(jīng)濟負擔，得到國家高度重視，本項目的主要目是實現(xiàn)脫硫石膏資源化利用、高附加值利用，制備高品質(zhì)硫酸鈣晶須。本項目是在脫硫石膏資源化利用創(chuàng)新技術(shù)基礎上提出的，有利于處理量大面廣、環(huán)境污染嚴重的脫硫石膏及其他工業(yè)副產(chǎn)石膏，推動下游應用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 2）基本思路 傳統(tǒng)工藝以天然石膏或工業(yè)硫酸鈣作為原料、采用水熱法制備硫酸鈣晶須，這種方法反應條件苛刻，產(chǎn)率不高，二次污染環(huán)境，而我們則以量大易得的脫硫石膏作為原料，通過創(chuàng)新性的常壓重結(jié)晶法，經(jīng)過獨創(chuàng)的純化技術(shù)及高效的制備工藝得到高品質(zhì)硫酸鈣晶須。本項目不僅節(jié)約了有限的硫酸鈣自然資源，而且使本來嚴重污染環(huán)境，占據(jù)人們生存空間的“廢品”，變成了寶貴的資源。本項目完成了制備工藝設計，實現(xiàn)了放大試驗，探討了其在涂料領(lǐng)域的應用。 本項目采用常壓重結(jié)晶法制備高附加值硫酸鈣晶須，包括以下內(nèi)容：硫酸鈣晶須制備工藝條件優(yōu)化、形貌控制技術(shù)、改性及應用。 本項目從根本上解決了脫硫石膏品位低、雜質(zhì)種類復雜等工業(yè)化利用的瓶頸問題，使用自來水即可實現(xiàn)硫酸鈣晶須的制備及形貌控制，為脫硫石膏及其他工業(yè)副產(chǎn)石膏資源化利用開辟了新的道路。 3）創(chuàng)新點 ①常壓下制備了形貌規(guī)整的高品質(zhì)硫酸鈣晶須 目前尚未發(fā)現(xiàn)常壓重結(jié)晶制備形貌規(guī)整的硫酸鈣晶須的報道，本項目利用常壓重結(jié)晶法，通過控制硫酸鈣晶須制備的物化條件、媒晶劑種類等制備了形貌規(guī)整、穩(wěn)定性高、純度高、白度高的高品質(zhì)硫酸鈣晶須，能夠顯著改善復合材料的應用性能。 ②常壓重結(jié)晶法實現(xiàn)了液相的循環(huán)使用 液相之所以能夠循環(huán)利用，是因為硫酸鈣晶須制備過程中并不消耗液相，只是根據(jù)硫酸鈣（脫硫石膏的主要成分）在特定液相中溶解度隨溫度變化明顯的特點，通過變化溫度，使硫酸鈣先溶解后結(jié)晶，能夠?qū)崿F(xiàn)溶劑的循環(huán)使用，不污染環(huán)境，降低了生產(chǎn)成本。常壓重結(jié)晶法工藝條件寬松，對反應溫度、溶劑濃度、時間等條件精度要求較低，常壓下易于實現(xiàn)工業(yè)化的規(guī)模生產(chǎn)。 4）技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標 硫酸鈣晶須制備工藝條件技術(shù)關(guān)鍵：脫硫石膏在硫酸鈣含量、Mg、Si、Fe、Al、白度等方面均未達到脫硫石膏作為建筑石膏的歐洲標準。本項目利用硫酸鈣在特定溶液中溶解度隨溫度變化明顯的特點，使硫酸鈣先溶解后結(jié)晶制備硫酸鈣晶須，同時起到了純化及改善脫硫石膏顆粒級配的作用，優(yōu)化了固液比、溶液濃度、反應溫度、反應時間等工藝條件。 硫酸鈣晶須制備工藝條件技術(shù)指標：所制備硫酸鈣晶須在硫酸鈣含量、Mg、Si、Fe、Al、白度等方面均超過脫硫石膏歐洲標準。由白度值僅44.7%脫硫石膏制備了白度高達94.5%的硫酸鈣晶須，純度高達99.9%。 硫酸鈣晶須形貌控制技術(shù)關(guān)鍵：在硫酸鈣晶須制備過程中，優(yōu)化結(jié)晶時間、結(jié)晶速率、媒晶劑、改性劑等影響因素，以得到形貌規(guī)整、尺寸可控、性能穩(wěn)定的硫酸鈣晶須。 硫酸鈣晶須形貌控制技術(shù)指標：硫酸鈣晶須是一種具有均勻的橫截面、規(guī)整的外形、完善的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的纖維狀單晶體，具有一定長徑比（一般大于30），長度為2至300μm，直徑為0.1至10μm。從微觀形貌及晶型分析中可以看出，脫硫石膏經(jīng)重結(jié)晶后完全轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩徕}晶須，且形貌規(guī)整、分散性好、性能穩(wěn)定。 硫酸鈣晶須在涂料中應用技術(shù)關(guān)鍵：硫酸鈣晶須應用領(lǐng)域廣泛，進行硫酸鈣晶須的親油化改性，并探索出在涂料中應用恰當?shù)奶盍咸砑恿渴潜狙芯康闹攸c內(nèi)容。在丙烯酸、環(huán)氧樹脂體系中，能顯著地改善涂料的機械性能。 硫酸鈣晶須在涂料中應用技術(shù)指標：帶有羧酸的有機體對硫酸鈣晶須進行改性能達到良好的改性效果，硫酸鈣晶須能顯著增強涂料的機械性能，如彈性模量、硬度、耐磨性、抗沖擊性等，在硫酸鈣晶須添加到40%時，對丙烯酸樹脂和環(huán)氧樹脂的硬度和抗沖擊性都有顯著的增強作用。 本項目進行了中試試驗，與多家下游應用企業(yè)簽訂了合作意向，有利于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。
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作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 1）設計、發(fā)明的目的 本項目針對量大面廣、污染嚴重的脫硫石膏，回收電廠廢熱蒸汽，采用重結(jié)晶法制備性能優(yōu)異、成本低廉的硫酸鈣晶須，實現(xiàn)了脫硫石膏資源化利用。 2）基本思路 本項目采用常壓重結(jié)晶法制備高附加值硫酸鈣晶須，工藝過程包括：硫酸鈣晶須制備工藝條件優(yōu)化、形貌控制技術(shù)、改性及應用。常壓重結(jié)晶法制備硫酸鈣晶須利用常壓下硫酸鈣在特定溶液中溶解度隨溫度變化明顯的特點，較高溫度時使硫酸鈣溶解于事先配制的溶液中，加入特定媒晶劑，趁熱抽濾，取濾液冷卻重結(jié)晶，所得固相即為硫酸鈣晶須。 3）創(chuàng)新點 ①常壓下制備了形貌規(guī)整的高品質(zhì)硫酸鈣晶須 本項目利用常壓重結(jié)晶法，通過控制硫酸鈣晶須制備的物化條件、媒晶劑種類等制備了高品質(zhì)硫酸鈣晶須。 ②常壓重結(jié)晶法實現(xiàn)了液相的循環(huán)使用 硫酸鈣晶須制備過程中并不消耗液相，只是根據(jù)硫酸鈣在特定液相中溶解度隨溫度變化明顯的特點，通過變化溫度，使硫酸鈣先溶解后結(jié)晶。 4）技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標 優(yōu)化了固液比、溶液濃度、反應溫度、反應時間等工藝條件，試驗結(jié)晶時間、媒晶劑等對硫酸鈣晶須形貌的影響。由白度值僅44.7%脫硫石膏制備了白度高達94.5%的硫酸鈣晶須，純度高達99.9%，反應后脫硫石膏完全轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩徕}晶須，且形貌規(guī)整、分散性好、性能穩(wěn)定。 進行硫酸鈣晶須親油化改性，并探索出在涂料中應用恰當?shù)牧蛩徕}晶須添加量。帶有羧酸的有機體對硫酸鈣晶須進行改性能達到良好的改性效果，在硫酸鈣晶須添加到40%時，對涂料的機械性能有顯著的增強作用。
科學性、先進性
- 硫酸鈣晶須的制備以水熱法為主，水熱法條件較為苛刻，難以規(guī)?；B續(xù)生產(chǎn)。以鈣鹽、硫酸鹽（或硫酸）為原料需消耗大量鈣鹽、硫酸鹽（或硫酸），制備工藝存在原料價格高、廢水無法處理、耗能高、品質(zhì)差等缺點。 本項目采用的重結(jié)晶法，一方面，所使用液相循環(huán)使用，不消耗試劑，媒晶劑能夠?qū)崿F(xiàn)零損耗，節(jié)能減排，有利于發(fā)展低碳、循環(huán)經(jīng)濟；另一方面，本項目在常壓下即可制備形貌規(guī)整的硫酸鈣晶須，對脫硫石膏品位和反應條件要求較寬松，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。 本項目以脫硫石膏為原料，制備了性能優(yōu)異、成本低廉的硫酸鈣晶須，已申請3項專利保護（2項授權(quán)）。研究內(nèi)容包括：硫酸鈣晶須制備工藝條件優(yōu)化、硫酸鈣晶須形貌控制、硫酸鈣晶須改性及應用，已通過實驗室研發(fā)及放大試驗等階段。本項目節(jié)約了有限的硫酸鈣自然資源，使本來嚴重污染環(huán)境，占據(jù)人們生存空間的“廢品”，變成了寶貴的資源。 為了獲得硫酸鈣晶須的工業(yè)化生產(chǎn)，本項目提出的利用燃煤電廠廢熱蒸汽，及液相循環(huán)使用，是一種先進技術(shù)，通過優(yōu)化工藝生產(chǎn)的晶須形貌更規(guī)整，長徑比更大。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 1）2011年，第八屆“自強杯”大學生課外學術(shù)科技作品競賽暨第十二屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術(shù)科技作品競賽校級選拔賽一等獎、省級選拔賽二等獎； 2）2010年，“贏在常熟”——大學生創(chuàng)業(yè)計劃大賽二等獎； 3）2010年，申請三項相關(guān)專利，兩項獲得授權(quán)。
作品所處階段
- 本項目已通過硫酸鈣晶須制備的實驗室研發(fā)、中試放大試驗等階段，與多家下游應用企業(yè)簽訂合作意向。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 本項目可通過專利技術(shù)轉(zhuǎn)讓、燃煤電廠廢棄物處理、吸引下游應用企業(yè)和投資機構(gòu)投資創(chuàng)業(yè)等方式實現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)讓。
作品可展示的形式
- 本項目可通過實物、產(chǎn)品、圖紙、圖片、錄像、樣品等形式進行展示。
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 1）使用說明：根據(jù)不同應用領(lǐng)域，選用不同尺寸、長徑比、純度的硫酸鈣晶須，選擇合適的硫酸鈣晶須的用量，還可選用改性后的硫酸鈣晶須。 2）技術(shù)特點和優(yōu)勢：本項目從根本上解決了脫硫石膏品位低、雜質(zhì)種類復雜等工業(yè)化利用的瓶頸問題，使用自來水即可實現(xiàn)硫酸鈣晶須的制備及形貌控制，為脫硫石膏及其他工業(yè)副產(chǎn)石膏資源化利用開辟了新的道路，實現(xiàn)了節(jié)能減排、變廢為寶。 3）適應范圍及推廣前景：硫酸鈣晶須是世界上最新一代復合材料添加劑，具有強度高、與復合材料親和力強等諸多優(yōu)異性能，是晶須材料中價格最低、性價比最高硫酸鈣晶須還具有非常廣泛的應用領(lǐng)域，可添加至塑料、橡膠、造紙、瀝青、涂料等復合材料中，顯著改善其應用性能。 4）市場效益分析：硫酸鈣晶須屬新興行業(yè)，市場缺口大、前景廣闊。本項目的實施有利于資源化利用脫硫石膏（僅20至40元每噸），硫酸鈣晶須市價為8000至20000元每噸。本項目制備過程中液相循環(huán)使用，成本遠低于市場同類產(chǎn)品，且性能優(yōu)異，能夠創(chuàng)造巨大的環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- Pavlov K A等研究了檸檬酸中硫酸鈣重結(jié)晶的影響因素，研究表明檸檬酸對于硫酸鈣晶體的脫水作用明顯，在較高濃度的檸檬酸中，硫酸鈣主要以半水形式存在。Zheng X X等研究了在25℃和65℃下，硫酸鈣在硝酸和磷酸水溶液中的溶解度及形貌變化，研究表明，硫酸鈣的溶解度隨硝酸和磷酸濃度的增加而先升高后降低。Rashad M M等研究了石膏晶體結(jié)構(gòu)，在磷酸或磷酸鹽中，加入Al3+和 Mg2+能夠增加石膏的結(jié)晶析出量，而檸檬酸和十二烷基硫酸鈉的存在，則能夠減少石膏的結(jié)晶析出量。Samia K等研究了磷酸鹽和多磷酸鹽對于硫酸鈣在氯化鈉溶液中結(jié)晶性能的影響，研究表明，磷酸鹽和多磷酸鹽對于硫酸鈣在氯化鈉溶液中結(jié)晶速率有抑制作用，抑制作用的強度為磷酸＞正磷酸鹽＞偏磷酸鹽＞焦磷酸鹽＞六偏磷酸鹽。Peng C等研究了氯化鈣和硫酸鉀溶液或固體反應生成石膏晶體及氯化鉀，將硫酸鉀加入至氯化鈣溶液中制備了形貌規(guī)整的片狀石膏晶體。Perviz S等研究了痕量金屬對石膏結(jié)晶過程的影響，研究表明，F(xiàn)e2+, Fe3+或Cr3+離子的存在并不會影響石膏晶體的尺寸，F(xiàn)e3+和Cr3+離子在2500ppm檸檬酸溶液中的存在，會影響石膏晶體的尺寸及濾過性能。El-Shall H等研究了磷酸及硫酸介質(zhì)中，氯代十六烷基吡啶對于石膏結(jié)晶性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)石膏結(jié)晶的誘導時間隨著過飽和度的增加顯著降低，氯代十六烷基吡啶的存在使石膏晶體直徑增大。以上工作研究了硫酸鈣的結(jié)晶性能，為硫酸鈣晶須的指標奠定了基礎，但是未能制備形貌規(guī)整的硫酸鈣晶須。李向清等在室溫條件下，以CaCl2和(NH4)2SO4為主要原料，通過一步超聲制備硫酸鈣晶須。以鈣鹽和硫酸鹽（或硫酸）為原料制備硫酸鈣晶須成本較高，不利于推廣。Song X F以CaCl2和H2SO4為原料，制備了硫酸鈣晶須，優(yōu)化了反應溫度、溶劑濃度、反應時間、攪拌速度等結(jié)晶反應條件，研究表明反應時間和溶劑濃度為重要影響因素，所制備硫酸鈣晶須直徑約4.73μm，長徑比達191。Wang X L等做了關(guān)于硫酸鈣晶須在聚丙烯中改性增韌的研究，制備了硫酸鈣晶須/聚丙烯復合材料，表明經(jīng)KH570改性后的硫酸鈣晶須對于聚丙烯的增韌作用明顯。
