基本信息
- 项目名称：
- 电厂脱硫石膏资源化制备硫酸钙晶须及改性应用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目是在燃煤电厂脱硫石膏资源化利用创新技术基础上提出的，针对量大面广、污染严重的脱硫石膏，回收利用电厂废热蒸汽资源，采用创新的重结晶法制备性能优异、成本低廉的硫酸钙晶须材料，旨在提高大宗脱硫石膏及其他工业副产石膏的利用率。本项目采用常压重结晶法制备硫酸钙晶须，对反应条件精度要求低，有利于处理量大面广、环境污染严重的脱硫石膏及其他工业副产石膏，易于实现工业化生产，已与多家下游应用企业签订合作意向。
- 详细介绍：
- 1）立项意义 煤炭占我国各能源发电比例近70%，煤炭燃烧产生大量二氧化硫，我国80%以上燃煤电厂采用烟气湿法脱硫, 2009年我国工业副产石膏产量约1.18亿吨，综合利用率仅38%，脱硫石膏产量达4300万吨，工业副产石膏堆存量超过3亿吨，脱硫石膏堆存量超过5000万吨，形成二次污染，造成严重的环境、生态问题和经济负担，得到国家高度重视，本项目的主要目是实现脱硫石膏资源化利用、高附加值利用，制备高品质硫酸钙晶须。本项目是在脱硫石膏资源化利用创新技术基础上提出的，有利于处理量大面广、环境污染严重的脱硫石膏及其他工业副产石膏，推动下游应用产业的发展。 2）基本思路 传统工艺以天然石膏或工业硫酸钙作为原料、采用水热法制备硫酸钙晶须，这种方法反应条件苛刻，产率不高，二次污染环境，而我们则以量大易得的脱硫石膏作为原料，通过创新性的常压重结晶法，经过独创的纯化技术及高效的制备工艺得到高品质硫酸钙晶须。本项目不仅节约了有限的硫酸钙自然资源，而且使本来严重污染环境，占据人们生存空间的“废品”，变成了宝贵的资源。本项目完成了制备工艺设计，实现了放大试验，探讨了其在涂料领域的应用。 本项目采用常压重结晶法制备高附加值硫酸钙晶须，包括以下内容：硫酸钙晶须制备工艺条件优化、形貌控制技术、改性及应用。 本项目从根本上解决了脱硫石膏品位低、杂质种类复杂等工业化利用的瓶颈问题，使用自来水即可实现硫酸钙晶须的制备及形貌控制，为脱硫石膏及其他工业副产石膏资源化利用开辟了新的道路。 3）创新点 ①常压下制备了形貌规整的高品质硫酸钙晶须 目前尚未发现常压重结晶制备形貌规整的硫酸钙晶须的报道，本项目利用常压重结晶法，通过控制硫酸钙晶须制备的物化条件、媒晶剂种类等制备了形貌规整、稳定性高、纯度高、白度高的高品质硫酸钙晶须，能够显著改善复合材料的应用性能。 ②常压重结晶法实现了液相的循环使用 液相之所以能够循环利用，是因为硫酸钙晶须制备过程中并不消耗液相，只是根据硫酸钙（脱硫石膏的主要成分）在特定液相中溶解度随温度变化明显的特点，通过变化温度，使硫酸钙先溶解后结晶，能够实现溶剂的循环使用，不污染环境，降低了生产成本。常压重结晶法工艺条件宽松，对反应温度、溶剂浓度、时间等条件精度要求较低，常压下易于实现工业化的规模生产。 4）技术关键和主要技术指标 硫酸钙晶须制备工艺条件技术关键：脱硫石膏在硫酸钙含量、Mg、Si、Fe、Al、白度等方面均未达到脱硫石膏作为建筑石膏的欧洲标准。本项目利用硫酸钙在特定溶液中溶解度随温度变化明显的特点，使硫酸钙先溶解后结晶制备硫酸钙晶须，同时起到了纯化及改善脱硫石膏颗粒级配的作用，优化了固液比、溶液浓度、反应温度、反应时间等工艺条件。 硫酸钙晶须制备工艺条件技术指标：所制备硫酸钙晶须在硫酸钙含量、Mg、Si、Fe、Al、白度等方面均超过脱硫石膏欧洲标准。由白度值仅44.7%脱硫石膏制备了白度高达94.5%的硫酸钙晶须，纯度高达99.9%。 硫酸钙晶须形貌控制技术关键：在硫酸钙晶须制备过程中，优化结晶时间、结晶速率、媒晶剂、改性剂等影响因素，以得到形貌规整、尺寸可控、性能稳定的硫酸钙晶须。 硫酸钙晶须形貌控制技术指标：硫酸钙晶须是一种具有均匀的横截面、规整的外形、完善的内部结构的纤维状单晶体，具有一定长径比（一般大于30），长度为2至300μm，直径为0.1至10μm。从微观形貌及晶型分析中可以看出，脱硫石膏经重结晶后完全转变为硫酸钙晶须，且形貌规整、分散性好、性能稳定。 硫酸钙晶须在涂料中应用技术关键：硫酸钙晶须应用领域广泛，进行硫酸钙晶须的亲油化改性，并探索出在涂料中应用恰当的填料添加量是本研究的重点内容。在丙烯酸、环氧树脂体系中，能显著地改善涂料的机械性能。 硫酸钙晶须在涂料中应用技术指标：带有羧酸的有机体对硫酸钙晶须进行改性能达到良好的改性效果，硫酸钙晶须能显著增强涂料的机械性能，如弹性模量、硬度、耐磨性、抗冲击性等，在硫酸钙晶须添加到40%时，对丙烯酸树脂和环氧树脂的硬度和抗冲击性都有显著的增强作用。 本项目进行了中试试验，与多家下游应用企业签订了合作意向，有利于实现产业化推广，创造良好的经济效益。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1）设计、发明的目的 本项目针对量大面广、污染严重的脱硫石膏，回收电厂废热蒸汽，采用重结晶法制备性能优异、成本低廉的硫酸钙晶须，实现了脱硫石膏资源化利用。 2）基本思路 本项目采用常压重结晶法制备高附加值硫酸钙晶须，工艺过程包括：硫酸钙晶须制备工艺条件优化、形貌控制技术、改性及应用。常压重结晶法制备硫酸钙晶须利用常压下硫酸钙在特定溶液中溶解度随温度变化明显的特点，较高温度时使硫酸钙溶解于事先配制的溶液中，加入特定媒晶剂，趁热抽滤，取滤液冷却重结晶，所得固相即为硫酸钙晶须。 3）创新点 ①常压下制备了形貌规整的高品质硫酸钙晶须 本项目利用常压重结晶法，通过控制硫酸钙晶须制备的物化条件、媒晶剂种类等制备了高品质硫酸钙晶须。 ②常压重结晶法实现了液相的循环使用 硫酸钙晶须制备过程中并不消耗液相，只是根据硫酸钙在特定液相中溶解度随温度变化明显的特点，通过变化温度，使硫酸钙先溶解后结晶。 4）技术关键和主要技术指标 优化了固液比、溶液浓度、反应温度、反应时间等工艺条件，试验结晶时间、媒晶剂等对硫酸钙晶须形貌的影响。由白度值仅44.7%脱硫石膏制备了白度高达94.5%的硫酸钙晶须，纯度高达99.9%，反应后脱硫石膏完全转变为硫酸钙晶须，且形貌规整、分散性好、性能稳定。 进行硫酸钙晶须亲油化改性，并探索出在涂料中应用恰当的硫酸钙晶须添加量。带有羧酸的有机体对硫酸钙晶须进行改性能达到良好的改性效果，在硫酸钙晶须添加到40%时，对涂料的机械性能有显著的增强作用。
科学性、先进性
- 硫酸钙晶须的制备以水热法为主，水热法条件较为苛刻，难以规模化连续生产。以钙盐、硫酸盐（或硫酸）为原料需消耗大量钙盐、硫酸盐（或硫酸），制备工艺存在原料价格高、废水无法处理、耗能高、品质差等缺点。 本项目采用的重结晶法，一方面，所使用液相循环使用，不消耗试剂，媒晶剂能够实现零损耗，节能减排，有利于发展低碳、循环经济；另一方面，本项目在常压下即可制备形貌规整的硫酸钙晶须，对脱硫石膏品位和反应条件要求较宽松，易于实现工业化生产。 本项目以脱硫石膏为原料，制备了性能优异、成本低廉的硫酸钙晶须，已申请3项专利保护（2项授权）。研究内容包括：硫酸钙晶须制备工艺条件优化、硫酸钙晶须形貌控制、硫酸钙晶须改性及应用，已通过实验室研发及放大试验等阶段。本项目节约了有限的硫酸钙自然资源，使本来严重污染环境，占据人们生存空间的“废品”，变成了宝贵的资源。 为了获得硫酸钙晶须的工业化生产，本项目提出的利用燃煤电厂废热蒸汽，及液相循环使用，是一种先进技术，通过优化工艺生产的晶须形貌更规整，长径比更大。
获奖情况及鉴定结果
- 1）2011年，第八届“自强杯”大学生课外学术科技作品竞赛暨第十二届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛校级选拔赛一等奖、省级选拔赛二等奖； 2）2010年，“赢在常熟”——大学生创业计划大赛二等奖； 3）2010年，申请三项相关专利，两项获得授权。
作品所处阶段
- 本项目已通过硫酸钙晶须制备的实验室研发、中试放大试验等阶段，与多家下游应用企业签订合作意向。
技术转让方式
- 本项目可通过专利技术转让、燃煤电厂废弃物处理、吸引下游应用企业和投资机构投资创业等方式实现技术转让。
作品可展示的形式
- 本项目可通过实物、产品、图纸、图片、录像、样品等形式进行展示。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1）使用说明：根据不同应用领域，选用不同尺寸、长径比、纯度的硫酸钙晶须，选择合适的硫酸钙晶须的用量，还可选用改性后的硫酸钙晶须。 2）技术特点和优势：本项目从根本上解决了脱硫石膏品位低、杂质种类复杂等工业化利用的瓶颈问题，使用自来水即可实现硫酸钙晶须的制备及形貌控制，为脱硫石膏及其他工业副产石膏资源化利用开辟了新的道路，实现了节能减排、变废为宝。 3）适应范围及推广前景：硫酸钙晶须是世界上最新一代复合材料添加剂，具有强度高、与复合材料亲和力强等诸多优异性能，是晶须材料中价格最低、性价比最高硫酸钙晶须还具有非常广泛的应用领域，可添加至塑料、橡胶、造纸、沥青、涂料等复合材料中，显著改善其应用性能。 4）市场效益分析：硫酸钙晶须属新兴行业，市场缺口大、前景广阔。本项目的实施有利于资源化利用脱硫石膏（仅20至40元每吨），硫酸钙晶须市价为8000至20000元每吨。本项目制备过程中液相循环使用，成本远低于市场同类产品，且性能优异，能够创造巨大的环境效益、社会效益和经济效益。
同类课题研究水平概述
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