颗粒学学科的发展现状及前景展望

颗粒学学科的发展现状及前景展望南京工业大学材料化学国家重点实验室叶旭初目录1234颗粒学概述颗粒学在国民经济中的战略地位颗粒学现状与展望结语颗粒测试学颗粒制备与处理纳米颗粒研究颗粒多相流（流态化）工程学气溶胶科学技术1、颗粒学概述颗粒学颗粒学拉丁前缀

particula

（颗粒）希腊后缀logia（学问）

Particuology研究颗粒形成、形态（貌）、性能、运动（流动）和变化规律及其工程应用的科学。图片，颗粒各种形态气流颗粒多相流2、颗粒学在国民经济中的战略地位跨学科、跨理、工、农、医等领域交叉性强，技术的实用性强涉及能源、化工、材料、建材、轻工、冶金、电子、气象、食品、医药、环境、航空和航天等多个领域颗粒表征（测量）、颗粒制备与处理、颗粒多相流（如流态化）、超微（纳米）颗粒、气溶胶——工程应用颗粒学特点领域学科3、现状与展望3.1、颗粒测试学研究进展激光粒度分析仪以激光作为探测光源的粒度分析仪器1243原理静态光散射原理动态光散射原理

光阻法颗粒计数器光脉动法粒度仪静态光散射原理根据不同大小的颗粒对光的散射有不同的角分布的原理根据微小颗粒（通常小于1μm）在液体中的布朗运动，引起散射光的频率移动（或相位变化），散射光相互干涉，使得某观察点上散射光强随时间变化的原理动态光散射（光子相关光谱）原理我国的激光粒度仪原理：基于静态光散射原理的仪器主要研制单位：包括天津大学，济南大学，上海理工大学，丹东仪表所等。时期：自80年代开始3.1、颗粒测试学研究进展近十年的突破结构测试基础理论天津大学双谱面结构济南微纳样品池华南师大折射率测量珠海欧美克全自动系统丹东百特的两种光学结构不同形状、大颗粒的散射光分布的计算数据反演算法的改进该方法对高达20%的噪声仍可获得满意结果3.1、颗粒测试学研究进展3.1、颗粒测试学研究进展纳米粒度及粒度分布测量方法一览表分析方法粒度范围/μm

特点光子相关光谱或动态光散射0.001～10应用广，可测分子量，有标准，但分散困难电泳光散射0.003～30应用广，快，但分散困难电迁移0.005～1气溶胶分析扩散电池0.005～0.2气溶胶分析，有标准激光衍射0.05～8000动态快速，应用广，有标准，但分散困难超声谱0.01～100可测较高浓度电声谱0.001～1200可测较高浓度离心沉降0.02～30有ISO标准，但分散困难浊度法0.003～30分散困难X光小角散射0.003～0.5有标准毛细管流动色谱0.02～50需另外检测方法配套场流分级0.001～500需另外检测方法配套穆斯堡尔谱<0.01测铁磁性颗粒电镜0.001～200分明、暗场，有标准3.2、颗粒制备与处理的研究进展内容颗粒制备、表面处理、应用、制备工艺与设备、辅助过程与设备（包括造粒、浓缩、过滤、提纯、干燥、包装、输运、收集、除尘、计量与控制等）（一）颗粒的物理制备（1）不同尺度颗粒的物理制备（粉磨）（一）颗粒的物理制备（2）颗粒粉磨3.2、颗粒制备与处理的研究进展粉磨气流磨、分级试验平台砂磨机、气流磨（一）颗粒的物理制备（3）颗粒分级（选粉机）3.2、颗粒制备与处理的研究进展照片，粉磨动力学动力学研究

φ20×20mm钢锻粉磨-2.00+1.70mm粒级熟料粉碎速率最高。

6万吨/年1250目超细粉体粉碎生产车间（2000年）超细氧化锌（ZnO）颗粒的粒度分布

(a)研磨前（b）研磨后2008年与南京铅锌银锰矿集团合作项目973项目资助高效节能工业应用粉磨装置模型装置图973项目资助高效节能工业应用粉磨装置20万吨/年矿渣工业化装置投入试生产–失败颗粒的应用研究P0：未分级熟料；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的熟料强度发展最快，28d达到最大；(32,45)m和(45,64)m强度持续增长，呈线性；(64,80)m强度最低；P0，未分级熟料，强度最高；试验在重复验证中（二）颗粒的化学制备3.2、颗粒制备与处理的研究进展原理

通过外部环境的改变或化学反应，使溶质从过饱和的分散相(气相或液相)中析出，形成固体。特点化学反应容易实现对颗粒组分、形貌和粒径分布的控制，可以得到纳米级的均匀颗粒。方法化学沉淀法、溶胶-凝胶法(Sol-Gel)、微乳液法、水/溶剂热合成法、高温燃烧合成法、热分解法、模板合成法，以及电解法等。颗粒的可控生长是化学法合成颗粒的关键。（一）颗粒的物理制备（3）颗粒形状控制技术3.2、颗粒制备与处理的研究进展（4）助磨技术（5）数字化制造与模拟技术（三）颗粒的表面改性处理3.2、颗粒制备与处理的研究进展处理工艺液相法处理、干法改性处理、气相法处理、机械力化学处理、高能辐射（包括等离子体、激光、电子束等）处理等处理设备液相法改性：可控温搅拌反应釜、可控温搅拌反应罐、湿法搅拌磨等；干法改性：间歇式的高搅机和连续式的SLG型粉体表面改性机、PSC型粉体表面改性机等；机械力化学处理设备：振动磨、球磨机、气流粉碎机、行星磨等；气相处理：流化床、气流湍流颗粒分散与改性设备等；高能辐射处理：等离子体型、激光束型、电子束型等设备。表面改性剂偶联剂（钛酸酯偶联剂、硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂）表面活性剂有机低聚物有机硅（三）颗粒的表面改性处理3.2、颗粒制备与处理的研究进展微/纳米颗粒复合化改性将微米/纳米颗粒子粒子附着在微米颗粒母粒子表面，以改变母粒子的表面性质、表面粗糙度、消除其尖锐的棱角、制备微纳米复合颗粒是目前一种新发展的颗粒表面改性处理方法主要方法：物理方法、机械方法、化学方法改性效果的评价直接法：通过表面改性前后粉体的表面物理化学性质和体相性质的变化来表征和评价颗粒表面改性的效果间接法：通过评价表面改性前后粉体在实际应用领域中的应用性能来评价粉体表面改性的效果（四）存在的问题及挑战3.2、颗粒制备与处理的研究进展（1）物理制备（2）化学制备（3）粉体表面改性3.3、纳米颗粒研究的新进展纳米颗粒可控制备新技术的发展纳米颗粒性能调控和优化取得新成果纳米颗粒应用新领域的探索研究空心球纳米颗粒制备技术液相烧蚀方法纳米颗粒制备技术原位转化方法纳米颗粒制备技术有机污染物和重金属的痕量探测和治理纳米矿物材料的新应用设计构筑纳米颗粒有序结构引入缺陷调控纳米颗粒性质（一）研究现状与进展基础和应用基础研究快速流态化20世纪70-90年代郭慕孙先生著名的Li-Kwauk模型20世纪80-90年代后液固流态化密度接近，流态化行为更为理想液固循环流化床和气液固浆态床20世纪80年代基于广义流态化概念的下行式气固反应器轴向返混成数量级的减弱流动结构均匀气固多相流20世纪90年代以来双流体模型离散颗粒模型拟颗粒模型计算流体力学（CFD技术）近年来特殊的学科发展分支超细颗粒或纳米颗粒的流化外场作用下的流化床（如磁场、微波、声场、等离子体等）3.4、颗粒多相流（流态化）工程学的研究进展（一）研究现状与进展化工和石油化工领域的流态化反应器研究两段提升管催化裂化技术，辅助反应器汽油改质降烯烃技术IP技术FDFCC技术催化裂化工艺

新型催化剂和工艺技术原料重质化、劣质化Text以更差的原料生产出更加清洁的轻质油品Text日益苛刻的环保要求炼化一体化，生产以低碳烯烃为主的石油化工原料配套的流态化工程技术3.4、颗粒多相流（流态化）工程学的研究进展`煤燃烧和气化等流态化过程的研究四喷嘴煤气化技术华东理工大学循环流化床燃烧技术中国科学院工程热物理研究所浙江大学清华大学西安热工研究院华中科技大学东南大学核心技术：下排气旋风分离器循环床锅炉高温分离型燃煤循环流化床锅炉劣质煤循环流化床燃烧技术煤矸石/石煤循环流化床燃烧技术水冷异型分离循环流化床锅炉超临界煤燃烧技术煤化工产业链下游相关技术清华大学万吨级浆态床甲醇技术一步法合成气制二甲醚技术大连化物所甲醇制低碳烯烃（MTO，MTP）技术（一）研究现状与进展3.4、颗粒多相流（流态化）工程学的研究进展CFD技术在多相流中的应用研究CFD的特点：CFD是仿真技术中的一种，其特点都是以描述该类物理或化学现象的理论方程为基础（代数、微分方程等），采用计算机，运用一定的数学方法加以离散与求解，最终得到一系列对工程实践具有指导意义的规律性的研究结果。分析、评估在给定条件下的工程设计合理性，并确定修正措施。“CFD”-ComputationalFluidDynamics(计算流体动力学)CFD技术-现广义地将对工程中的流体流动、传热、燃烧、化学反应、多相流等的数值模拟（Simulation）同称为CFD技术（一）研究现状与进展3.4、颗粒多相流（流态化）工程学的研究进展CFD技术在多相流中的应用研究

900℃

850℃

800℃温度分布分解炉煤粉燃烧、生料分解过程南京工业大学安徽海螺建材设计研究院颗粒运动3.4、颗粒多相流（流态化）工程学的研究进展CFD技术在多相流中的应用研究气喷旋冲湿法脱硫工程中的浆液流场模拟速度场分布0.005固相颗粒组分等值面气相组分等值面0.05脱硫工程装置侧进式搅拌器安装图3.4、颗粒多相流（流态化）工程学的研究进展南京工业大学上海宝山钢铁股份有限公司锅炉脱硝（NOX）动画-颗粒流动CFD技术在多相流中的应用研究回转窑煤粉燃烧器南京工业大学窑内温度分布出口速度矢量图3.4、颗粒多相流（流态化）工程学的研究进展1、国际大公司高校的资助逐渐缩减2、最早期技术专家退休，国际研究组发生较大变迁3、相关的新研究领域不能形成大的科学共识和广阔的产品应用过程（二）存在问题及挑战3.4、颗粒多相流（流态化）工程学的研究进展从流态化学科基础研究的发展角度1重视从微观尺度揭示固体颗粒和流体相互作用规律2重视发展先进的测量技术3重视发展前沿的多相流模型理论和建立快速、高效率的计算模拟技术5重视发展超细颗粒以及纳米颗粒的流态化技术和理论基础从流态化服务于工业化过程的角度通过流化床反应器组合技术及新型催化剂和工艺，实现炼化一体化，发展重油、劣质油为原料的催化裂化过程1重视发展先进的流化床技术，尤其针对传统固定床工艺的弱点，充分利用大型流化床技术的优势2重视流化床技术在资源提取过程的应用和高效率3重视流态化技术在煤化工中的重要作用4重视流态化技术在生物质领域的应用5重视流态化技术在一些高耗能行业的技术创新6重视聚合流态化反应工程的发展7（三）机遇、展望、思路3.4、颗粒多相流（流态化）工程学的研究进展4重视多相流的计算模拟技术在具有多相流特征的新装备开发中的应用3.5、气溶胶科学技术研究进展气溶胶被认为是与温室气体、土地利用、太阳活动等同等重要的全球气候变化的驱动因子，也是气候强迫中最不确定性的因子之一，是当前国际热门课题。

大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系（PM2.5）大气气溶胶（简称气溶胶）《Nature》，《Science》“长江、珠江三角洲地区土壤和大气环境质量变化规律与调控原理”973“燃烧源可吸入颗粒物的形成与控制技术基础研究”“燃烧源可吸入颗粒物的形成与控制技术基础研究”“中国大气气溶胶及其气候效应的研究”3000万“重点城市群大气复合污染防治技术与集成示范”重大项目8632.5亿国家自然科学基金气溶胶研究项目与投入3.5、气溶胶科学技术研究进展（一）国内近5年的主要研究进展我国气溶胶研究的主要成果和进展1、更宽范围粒子谱分布的测试技术2、初步分析了有机气溶胶的来源及二次有机气溶胶的产生与演变3、对我国大气气溶胶辐射特性与时空分布特征有了进一步的认识4、建立了相应的观测台，对不同波段气溶胶光学厚度展开了遥感观测5、引进机载的PMS和DMT测量系统，研究我国大气污染分布和传输，以及大气污染与云和降水影响等6、实验室模拟技术7、碳气溶胶排放状况、时空分