顆粒學學科的發(fā)展現狀及前景展望

顆粒學學科的發(fā)展現狀及前景展望南京工業(yè)大學材料化學國家重點實驗室葉旭初目錄1234顆粒學概述顆粒學在國民經濟中的戰(zhàn)略地位顆粒學現狀與展望結語顆粒測試學顆粒制備與處理納米顆粒研究顆粒多相流（流態(tài)化）工程學氣溶膠科學技術1、顆粒學概述顆粒學顆粒學拉丁前綴

particula

（顆粒）希臘后綴logia（學問）

Particuology研究顆粒形成、形態(tài)（貌）、性能、運動（流動）和變化規(guī)律及其工程應用的科學。圖片，顆粒各種形態(tài)氣流顆粒多相流2、顆粒學在國民經濟中的戰(zhàn)略地位跨學科、跨理、工、農、醫(yī)等領域交叉性強，技術的實用性強涉及能源、化工、材料、建材、輕工、冶金、電子、氣象、食品、醫(yī)藥、環(huán)境、航空和航天等多個領域顆粒表征（測量）、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——工程應用顆粒學特點領域學科3、現狀與展望3.1、顆粒測試學研究進展激光粒度分析儀以激光作為探測光源的粒度分析儀器1243原理靜態(tài)光散射原理動態(tài)光散射原理

光阻法顆粒計數器光脈動法粒度儀靜態(tài)光散射原理根據不同大小的顆粒對光的散射有不同的角分布的原理根據微小顆粒（通常小于1μm）在液體中的布朗運動，引起散射光的頻率移動（或相位變化），散射光相互干涉，使得某觀察點上散射光強隨時間變化的原理動態(tài)光散射（光子相關光譜）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，濟南大學，上海理工大學，丹東儀表所等。時期：自80年代開始3.1、顆粒測試學研究進展近十年的突破結構測試基礎理論天津大學雙譜面結構濟南微納樣品池華南師大折射率測量珠海歐美克全自動系統(tǒng)丹東百特的兩種光學結構不同形狀、大顆粒的散射光分布的計算數據反演算法的改進該方法對高達20%的噪聲仍可獲得滿意結果3.1、顆粒測試學研究進展3.1、顆粒測試學研究進展納米粒度及粒度分布測量方法一覽表分析方法粒度范圍/μm

特點光子相關光譜或動態(tài)光散射0.001～10應用廣，可測分子量，有標準，但分散困難電泳光散射0.003～30應用廣，快，但分散困難電遷移0.005～1氣溶膠分析擴散電池0.005～0.2氣溶膠分析，有標準激光衍射0.05～8000動態(tài)快速，應用廣，有標準，但分散困難超聲譜0.01～100可測較高濃度電聲譜0.001～1200可測較高濃度離心沉降0.02～30有ISO標準，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有標準毛細管流動色譜0.02～50需另外檢測方法配套場流分級0.001～500需另外檢測方法配套穆斯堡爾譜<0.01測鐵磁性顆粒電鏡0.001～200分明、暗場，有標準3.2、顆粒制備與處理的研究進展內容顆粒制備、表面處理、應用、制備工藝與設備、輔助過程與設備（包括造粒、濃縮、過濾、提純、干燥、包裝、輸運、收集、除塵、計量與控制等）（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展粉磨氣流磨、分級試驗平臺砂磨機、氣流磨（一）顆粒的物理制備（3）顆粒分級（選粉機）3.2、顆粒制備與處理的研究進展照片，粉磨動力學動力學研究

φ20×20mm鋼鍛粉磨-2.00+1.70mm粒級熟料粉碎速率最高。

6萬噸/年1250目超細粉體粉碎生產車間（2000年）超細氧化鋅（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合作項目973項目資助高效節(jié)能工業(yè)應用粉磨裝置模型裝置圖973項目資助高效節(jié)能工業(yè)應用粉磨裝置20萬噸/年礦渣工業(yè)化裝置投入試生產–失敗顆粒的應用研究P0：未分級熟料；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的熟料強度發(fā)展最快，28d達到最大；(32,45)m和(45,64)m強度持續(xù)增長，呈線性；(64,80)m強度最低；P0，未分級熟料，強度最高；試驗在重復驗證中（二）顆粒的化學制備3.2、顆粒制備與處理的研究進展原理

通過外部環(huán)境的改變或化學反應，使溶質從過飽和的分散相(氣相或液相)中析出，形成固體。特點化學反應容易實現對顆粒組分、形貌和粒徑分布的控制，可以得到納米級的均勻顆粒。方法化學沉淀法、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法合成顆粒的關鍵。（一）顆粒的物理制備（3）顆粒形狀控制技術3.2、顆粒制備與處理的研究進展（4）助磨技術（5）數字化制造與模擬技術（三）顆粒的表面改性處理3.2、顆粒制備與處理的研究進展處理工藝液相法處理、干法改性處理、氣相法處理、機械力化學處理、高能輻射（包括等離子體、激光、電子束等）處理等處理設備液相法改性：可控溫攪拌反應釜、可控溫攪拌反應罐、濕法攪拌磨等；干法改性：間歇式的高攪機和連續(xù)式的SLG型粉體表面改性機、PSC型粉體表面改性機等；機械力化學處理設備：振動磨、球磨機、氣流粉碎機、行星磨等；氣相處理：流化床、氣流湍流顆粒分散與改性設備等；高能輻射處理：等離子體型、激光束型、電子束型等設備。表面改性劑偶聯劑（鈦酸酯偶聯劑、硅烷偶聯劑、鋁酸酯偶聯劑）表面活性劑有機低聚物有機硅（三）顆粒的表面改性處理3.2、顆粒制備與處理的研究進展微/納米顆粒復合化改性將微米/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、表面粗糙度、消除其尖銳的棱角、制備微納米復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、機械方法、化學方法改性效果的評價直接法：通過表面改性前后粉體的表面物理化學性質和體相性質的變化來表征和評價顆粒表面改性的效果間接法：通過評價表面改性前后粉體在實際應用領域中的應用性能來評價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展（1）物理制備（2）化學制備（3）粉體表面改性3.3、納米顆粒研究的新進展納米顆?？煽刂苽湫录夹g的發(fā)展納米顆粒性能調控和優(yōu)化取得新成果納米顆粒應用新領域的探索研究空心球納米顆粒制備技術液相燒蝕方法納米顆粒制備技術原位轉化方法納米顆粒制備技術有機污染物和重金屬的痕量探測和治理納米礦物材料的新應用設計構筑納米顆粒有序結構引入缺陷調控納米顆粒性質（一）研究現狀與進展基礎和應用基礎研究快速流態(tài)化20世紀70-90年代郭慕孫先生著名的Li-Kwauk模型20世紀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80年代基于廣義流態(tài)化概念的下行式氣固反應器軸向返混成數量級的減弱流動結構均勻氣固多相流20世紀90年代以來雙流體模型離散顆粒模型擬顆粒模型計算流體力學（CFD技術）近年來特殊的學科發(fā)展分支超細顆?；蚣{米顆粒的流化外場作用下的流化床（如磁場、微波、聲場、等離子體等）3.4、顆粒多相流（流態(tài)化）工程學的研究進展（一）研究現狀與進展化工和石油化工領域的流態(tài)化反應器研究兩段提升管催化裂化技術，輔助反應器汽油改質降烯烴技術IP技術FDFCC技術催化裂化工藝

新型催化劑和工藝技術原料重質化、劣質化Text以更差的原料生產出更加清潔的輕質油品Text日益苛刻的環(huán)保要求煉化一體化，生產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3.4、顆粒多相流（流態(tài)化）工程學的研究進展`煤燃燒和氣化等流態(tài)化過程的研究四噴嘴煤氣化技術華東理工大學循環(huán)流化床燃燒技術中國科學院工程熱物理研究所浙江大學清華大學西安熱工研究院華中科技大學東南大學核心技術：下排氣旋風分離器循環(huán)床鍋爐高溫分離型燃煤循環(huán)流化床鍋爐劣質煤循環(huán)流化床燃燒技術煤矸石/石煤循環(huán)流化床燃燒技術水冷異型分離循環(huán)流化床鍋爐超臨界煤燃燒技術煤化工產業(yè)鏈下游相關技術清華大學萬噸級漿態(tài)床甲醇技術一步法合成氣制二甲醚技術大連化物所甲醇制低碳烯烴（MTO，MTP）技術（一）研究現狀與進展3.4、顆粒多相流（流態(tài)化）工程學的研究進展CFD技術在多相流中的應用研究CFD的特點：CFD是仿真技術中的一種，其特點都是以描述該類物理或化學現象的理論方程為基礎（代數、微分方程等），采用計算機，運用一定的數學方法加以離散與求解，最終得到一系列對工程實踐具有指導意義的規(guī)律性的研究結果。分析、評估在給定條件下的工程設計合理性，并確定修正措施?！癈FD”-ComputationalFluidDynamics(計算流體動力學)CFD技術-現廣義地將對工程中的流體流動、傳熱、燃燒、化學反應、多相流等的數值模擬（Simulation）同稱為CFD技術（一）研究現狀與進展3.4、顆粒多相流（流態(tài)化）工程學的研究進展CFD技術在多相流中的應用研究

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)大學安徽海螺建材設計研究院顆粒運動3.4、顆粒多相流（流態(tài)化）工程學的研究進展CFD技術在多相流中的應用研究氣噴旋沖濕法脫硫工程中的漿液流場模擬速度場分布0.005固相顆粒組分等值面氣相組分等值面0.05脫硫工程裝置側進式攪拌器安裝圖3.4、顆粒多相流（流態(tài)化）工程學的研究進展南京工業(yè)大學上海寶山鋼鐵股份有限公司鍋爐脫硝（NOX）動畫-顆粒流動CFD技術在多相流中的應用研究回轉窯煤粉燃燒器南京工業(yè)大學窯內溫度分布出口速度矢量圖3.4、顆粒多相流（流態(tài)化）工程學的研究進展1、國際大公司高校的資助逐漸縮減2、最早期技術專家退休，國際研究組發(fā)生較大變遷3、相關的新研究領域不能形成大的科學共識和廣闊的產品應用過程（二）存在問題及挑戰(zhàn)3.4、顆粒多相流（流態(tài)化）工程學的研究進展從流態(tài)化學科基礎研究的發(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)展先進的測量技術3重視發(fā)展前沿的多相流模型理論和建立快速、高效率的計算模擬技術5重視發(fā)展超細顆粒以及納米顆粒的流態(tài)化技術和理論基礎從流態(tài)化服務于工業(yè)化過程的角度通過流化床反應器組合技術及新型催化劑和工藝，實現煉化一體化，發(fā)展重油、劣質油為原料的催化裂化過程1重視發(fā)展先進的流化床技術，尤其針對傳統(tǒng)固定床工藝的弱點，充分利用大型流化床技術的優(yōu)勢2重視流化床技術在資源提取過程的應用和高效率3重視流態(tài)化技術在煤化工中的重要作用4重視流態(tài)化技術在生物質領域的應用5重視流態(tài)化技術在一些高耗能行業(yè)的技術創(chuàng)新6重視聚合流態(tài)化反應工程的發(fā)展7（三）機遇、展望、思路3.4、顆粒多相流（流態(tài)化）工程學的研究進展4重視多相流的計算模擬技術在具有多相流特征的新裝備開發(fā)中的應用3.5、氣溶膠科學技術研究進展氣溶膠被認為是與溫室氣體、土地利用、太陽活動等同等重要的全球氣候變化的驅動因子，也是氣候強迫中最不確定性的因子之一，是當前國際熱門課題。

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)境質量變化規(guī)律與調控原理”973“燃燒源可吸入顆粒物的形成與控制技術基礎研究”“燃燒源可吸入顆粒物的形成與控制技術基礎研究”“中國大氣氣溶膠及其氣候效應的研究”3000萬“重點城市群大氣復合污染防治技術與集成示范”重大項目8632.5億國家自然科學基金氣溶膠研究項目與投入3.5、氣溶膠科學技術研究進展（一）國內近5年的主要研究進展我國氣溶膠研究的主要成果和進展1、更寬范圍粒子譜分布的測試技術2、初步分析了有機氣溶膠的來源及二次有機氣溶膠的產生與演變3、對我國大氣氣溶膠輻射特性與時空分布特征有了進一步的認識4、建立了相應的觀測臺，對不同波段氣溶膠光學厚度展開了遙感觀測5、引進機載的PMS和DMT測量系統(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、實驗室模擬技術7、碳氣溶膠排放狀況、時空分