合作计划项目可行性报告

合作计划项目可行性报告内容摘要：

适，混凝土行业对纳米硅的需求巨大。 目前混凝土行业纳米硅的应用量仍然为零。 究其原因，混凝土为低廉材料，每方价格 200300元，实在没有能力应用量稀价昂的纳米硅。 纳米硅价格近 10万元 1吨，即近 100元 1KG，按每方掺入胶凝材料量的 1%，约 3KG计算，光纳米硅成本就达 300元，和改性前产品价格相当。 因此可以断言，目前人工制备的纳米硅不可能进入混凝土行业。 另外，在耐火材料行业、硅化学工业、食品行业、环保行业等大剂量使用 SIO2的行业，使用普通纳 米硅成本过大。 打开大宗材料行业应用纳米硅局面的唯一出路是开发其它来源的价廉纳米硅。 （ 3） 稻壳是制备价廉纳米结构活性 SiO2最好的资源 虽然稻壳的营养组分无利用价值，但稻壳所含的 SiO2呈无定形态 (蛋白石或硅胶 )，却是一种有价值的矿物。 自然界中的 SiO2 大多数呈结晶状态存在，无定形 SiO2很少。 水稻将土壤中稀薄的无定形 SiO2如蛋白石 SiO2 nH2O 等通过生物矿化的方式富集在稻壳中，等于为人类提取了大量非晶态的 SiO2。 这是一种极为宝贵的矿物资源，应该设法加以提取利用。 从某些植物中提取生物源纳米 硅是一种全新的概念和方法，国内外未见试验研究和产业化报道。 虽然对稻壳有过较多的研究，知道稻壳的含硅量很高（ 20%），但对稻壳中硅的存在方式却知之不多。 对稻壳焚烧的灰烬棗稻壳灰也有过较多的研究，知其由 SiO2组成，但对其结构也不甚清楚。 一般只在微米尺度进行显微观察，认为稻壳灰是多孔物质。 本项目组在近期对低温稻壳灰的大量研究中，用高分辨率的 SEM和 TEM偶然发现，在很低的焚烧温度下，稻壳热裂解得到的稻壳灰全部由纳米结构的 SiO2粒子所组成，并且由这些稻壳灰得到的生物源纳米SiO2，其火山灰活性以及对水泥混凝土的 增强效应并不逊色于纳米硅，而其成本只有普通纳米硅的 1/100。 由此提出了稻壳中硅为纳米硅的推测，并提出从稻壳中提取具有实用价值的生物源纳米硅的设想。 在发现稻壳灰含纳米 SIO2之前， 日本人杉田修一曾在中国申请了《生产活性稻壳灰的装置》专利。 其提出的间歇式焚烧装置，简单易行，不需要电、燃气或其它燃烧热源工作，是一种可较大规模实现工业化生产稻壳灰的方法。 但这一方法存在多个缺陷，致命一点是稻壳焚烧过程中积聚的热量没能得到有效的导出，焚烧达到 750度。 研究表明，焚烧温度超过 600度，其化学活性是不高的。 本 项目组为此发明了一种稻壳焚烧装置，巧妙地将焚烧热量带走，从根本上克服了杉田修一装置的缺陷，使焚烧温度稳定地控制在 600度以下。 所烧制的稻壳灰中 SiO2保持原来纳米结构不变，其化学活性超过了硅灰，和普通纳米 SiO2大体 相当。 已试验性生产出小批量生物源纳米结构 SiO2并投入了实际工程使用，在广州第二高楼 —— 广东邮电枢纽大厦工程 C80超高强混凝土的配制中，生物源纳米 SiO2与最佳粒径磨细矿渣微粉复合，使配制的混凝土在超高强的同时，可泵性能优越，一次性泵上了 250米以上的高度，创下了我国超高强混凝土配制施工的一个纪 录。 《羊城晚报》等重要媒体在头版头条位置报道了这一成果。 该成果2020年以通过了省级成果鉴定，经由中国工程院院士和博士导师组成的鉴定委员会鉴定，一致认为成果达到了国际先进水平，在稻壳灰的研究方面，达到了国际领先水平。 成果 2020年获广东省科技进步奖二等奖（本项目申请人为第一获奖人）。 境内外概况 市场预测和发展趋势 纳米 SiO2的由于它的量子尺寸、量子隧道效应以及特殊的光、电特性、高磁阻现象、非线性电阻现象而且在高温下仍具有的高强、高韧、稳定性好等奇异特性，使纳米 SiO2可广泛应用于 许多领域，几乎涉及所有应用 SiO2粉体的行业。 研究表明，原先必须用 SiO2粉体材料作添加剂的制品，在不改变其工艺流程的同时而改用纳米 SiO2作添料，其制品的各项功能、性能指标都会大幅度提高，因而纳米 SiO2在橡胶行业、涂料行业、塑料行业、胶粘剂行业、纺织、陶瓷、生物医学、军事等行业有重要应用，被誉为 21世纪的高科技材料。 然而，目前 纳米 SiO2的应用 主要考虑的是精细化工行业，出于成本的原因，根本无法在大宗廉价材料应用。 本项目所制备的生物源纳米 Si02恰好能弥补传统 纳米 SiO2的这一缺陷，而应用 在橡胶、食品、 耐火材料、混凝土等行业，应用前景十分广阔。 以混凝土为例，研究表明，从稻壳中提取的生物源纳米硅对混凝土改性的作用和普通纳米 Si02相当，而优于硅灰，更远优于风选粉煤灰和磨细矿渣。 目前我国商品混凝土已达 8000万方（全国混凝土总量则更大），按 10%应用纳米硅改性，每立方应用 5kg计算，年需要纳米硅 4000万 kg，需求量十分庞大。 随着社会的发展，对高性能混凝土的需求越来越多，要求也越来越高，对改性纳米硅的需求也会更多。 二、研究开发内容、方法、技术路线 具体研究开发内容和重点解决的技术关键问题 具体研究开发内容 稻壳中生物源 SiO2 的结构表征 采用 XRD、 HRTEM、固态 29SiNMR 技术、 IR 技术研究稻壳中各部位，如芒刺、内外表面、内部切片 Si 原子构型和可能的结构有序性。 采用 TEM、 SEM 、EDAX 等技术研究稻壳各部位生物 Si02 的微观结构和细观结构，包括硅化结构和形貌及其团聚度。 上述研究，目的是证实稻壳各部位生物源 Si02 是否以纳米结构形式存在 ,为稻壳生物源 Si02 的高附加值开发利用提供理论基础。 热解条件与生物源 SiO2 结构变异的关系 控制不同温度和气氛使稻壳热裂解，研究 所得生物 Si02 的特性，如成分、Si 结构有序性、硅化结构与形貌及其团聚度以及显微结构和细观结构等，并与裂解前稻壳中 Si 的存在状态对照，研究热解前后生物 Si02 会产生哪些变异，以找出热解条件与裂解所得 Si02 结构变异之间的关系，为选择最合适的 Si02 提取工艺提供理论依据。 稻壳热解装置的研制 据实测， 10Kg 的稻壳自然堆积焚烧，内部温度就超过了 1000℃。 目前国内外所见的可工业化的稻壳热解装置均存在稻壳焚烧过程产生的热量导致焚烧温度过高的问题 ,这使得制取的 Si02 活性不高。 理想的稻壳热解装置应符合以下要求 ：（ 1）焚烧温度要低；（ 2）焚烧完全，未燃烧碳含量要低；（ 3）容积足够大。 要同时实现上述三个要求是相当困难的，必须采用与过去技术不同的全新思路进行研制。 我们将巧妙地在焚烧炉内部设置热交换水管。 初步的试验表明，通过调整热交换水管的分布密度和分布形式，可稳定地控制内部焚烧温度在 600℃以下并且碳燃烧完全。 这种同时利用稻壳的资源和能源的技术路线，不仅保证了稻壳低温热解的可行，而且利用了稻壳焚烧过程所产生的热能，同时也解决了稻壳一次焚烧数量受限制的重大难题。 稻壳生物源 Si02 对水泥混凝土改性的研究 研究稻壳热解得到的生物源 Si02作为水泥混凝土高性能改性添加剂的特性，如火山灰效应、增强效应特别是改善耐久性的效应及其机理等。 生物源纳米 Si0硅灰、气相纳米 Si02 在水泥混凝土应用方面的比较研究 从对水泥基材料的改性性能、价格、数量等角度，评价三种高硅材料（生物源纳米 SiO气相纳米 SiO硅灰）在水泥混凝土中应用的可能性和竞争力。 重点解决的技术关键问题 稻壳中生物 SiO2 的精确结构和形态 稻壳中生物 SiO2 的精确结构和形态的确定，是生物 SiO2 提取工艺确定的基础，因此是本 项目关键的问题之一。 生物 SiO2 的存在方式非常复杂，其结构和组分都具有多样性，几乎包含各种确定的组成、结构和形态，从有序的蛋白团聚体到扩散胶凝材料。 研究表明，生物源 SiO2 不是化学计量矿物 ,其矿化体以水合共键无机高分子形式 [SiOn/2（ OH） 4n]m （ n=04； m 可无限大）存在 ,它的性质包括密度、硬度、溶解度、黏度和结构组分都直接或间接受到各种细胞水平的影响。 稻壳中生物 SiO2 的组成、结构和形态究竟如何，尚未见详细报道，必须深入系统研究。 热解条件与 SiO2 结构变异及其对混凝土改性作用的关 系 热 解条件与 SiO2 结构变异的关系是制定用于混凝土改性的生物源纳米结构SiO2 制取工艺的直接依据。 对热解条件与稻壳灰 SiO2 化学活性的关系已有一些研究，但热解条件与 SiO2 结构变异的关系的研究尚未见到报道，尚需充分研究。 生物纳米 SiO2 制备 的高效装置 目前所报道的稻壳热解装置存在以下问题：如果是以热能利用为主，则在焚烧时鼓入空气，尽可能提高焚烧温度，这时得到的稻壳灰 SiO2 呈结晶状态，化学活性很低，无实际用途。 如果是以 SiO2 利用为主，则大多没有考虑热能的利用。 这不但是浪费能源的问题，更重要的是焚烧的热量 得不到有效的导出，焚烧温度过高， SiO2 活性仍然不高。 本项目将本着将热量导出，即同时利用稻壳资源和能源的思路巧妙地研制生物纳米 SiO2 制备的高效装置。 稻壳所含热量很高，少量稻壳堆聚焚烧内部温度就可能超过 1000℃。 本项目采用自有的关键技术（已申请发明专利），在稻壳热解装置中设置热交换水管，通过调整热交换水管的分布密度和分布形式，稳定地控制内部焚烧温度在 600℃以下。 这种同时利用稻壳资源和能源的技术，不仅保证了稻壳低温热解的可行，而且利用了焚烧过程所产生的热能，同时也解决了稻壳一次焚烧数量受限制的重大难题。 项目的特色和创新之处 本项目的特色和创新之处 体现在以下几方面 ： 具有较强原始创新性 （ 1） 从某些植物中提取具有实用价值的生物源纳米氧化硅是一种全新的概念和方法，国内外鲜见试验研究和产业化报道。 申请者在多年前即提出了稻壳中硅以纳米结构形式存在的推测，并率先提出由稻壳热解直接制取有实用价值的生物源纳米结构硅的构想。 在随后的 2020 年，国际著名的材料科学权威刊物《 Material Science and Engineering A 》发表了论文《 Preparation and characterization of nanostructured silica from rice husk》， Liou, TzongHorng 证实了低温稻壳灰中的SiO2 确实以纳米结构的形式存在，并且所观察到的纳米 SiO2 粒子参数和申请者多年前观察到的完全吻合。 Liou, TzongHorng 为此同样提出了从稻壳廉价提取纳米结构 SiO2 的设想。 （ 2）在未焚烧的稻壳中生物 SiO2 的组成、结构和形态究竟如何，国内外尚未见详细报道。 申请者提出了稻壳中硅以纳米结构形式存在的推测并希望通过本项目加以实验证实。 （ 3）以往对 热解条件与稻壳灰 SiO2 结构变异关系的研究，仅仅是通过 X 射线分析技术判别热解温度与 SiO2 是晶体还是非晶体的关系，对热解温度与 SiO2粒子大小、形貌及对混凝土改性作用的关系研究尚未见到报道。 （ 4）本项目采用在焚烧装置中设置热交换水管，通过调整热交换水管的分布密度和分布形式控制内部焚烧温度的技术路线，不仅保证了稻壳低温热解的可行，而且利用了焚烧过程所产生的热能，同时也解决了稻壳一次焚烧数量受限制的难题，一举三得，具有原始创新性。 具有重大经济价值 项目研制的生物源纳米结构 Si02，在水泥混凝土等行业应用 的性能和普通气相纳米硅大体相当，但成本仅为普通气相纳米硅 1/100。 行业关联性强 本项目不但在最大程度上开发了稻壳潜在的资源价值，减轻了稻壳对环境的巨大压力，而且为水泥混凝土等大宗廉价材料行业提供了具有实用价值的纳米改性材料。 要达到的技术、经济指标及社会、经济效益 技术指标 经济指标 社会效益 水稻是世界上种植面积最广、产量最大的农作物。 当前全世界稻谷总产量近6 亿吨，而我国总产量约 2 亿吨，占全世界总产量的 1/3，居世界首位。 稻谷中，稻壳（ Rice Husk, RH）约占 20%。 按此计算，全世界每年的稻壳数量在 亿吨左右，而我国也达 4000 万吨， 数量 十分 庞大。 但稻壳目前尚未找到合适的开发利用途径，在 一些地方将稻壳用作饲料，但这种做法并不符合现代动物营养科学；还有一些 地方干脆将其作为农业废物而丢弃或就地焚烧，对环境产生巨大压力。 因此，为稻壳寻求合适的出路已成为日益迫切的课题。 本项目在最大程度上开发利用了稻壳潜在的资源价值，减轻了稻壳对环境的巨大压力，为混凝土等行业提供了具有实用价值的纳米改性材料；另外，本项目的实施还可以增加农民的收入来源，为农 业减负增收做出重要贡献，达到了经济效益、环境效益和社会效益的高度统一。 经济效益 研究表明，从稻壳中提取的生物源纳米硅对混凝土改性的作用和普通纳米Si02相当，而优于硅灰，更远优于风选粉煤灰磨细矿渣。 生物源纳米硅的成本每吨不到 1000元，根据它的改性效果，每吨 5000元左右完全可以被混凝土行业接受。 目前，我国商品混凝土已达 8000万方，。