【正文】 歐陽(yáng)東、陳楷，低溫稻殼灰的顯微結(jié)構(gòu)及其化學(xué)活性，硅酸鹽學(xué)報(bào)， 2020， 11 歐陽(yáng)東， RHA中的納米 Si02及其對(duì) HSC增強(qiáng)作用，全國(guó)第三屆納米材料會(huì)議論文集 ,2020, 南京 歐陽(yáng)東、陳楷，稻殼灰顯微結(jié)構(gòu)的研究，材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2020， 5 歐陽(yáng)東，納米 Si02 低溫稻殼灰用于混凝土的研究，新型建筑材料， 2020， 歐陽(yáng)東，稻殼新出路，制備混凝土用納米 Si02，中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)， 2020， 3 歐陽(yáng)東，稻殼灰與硅灰波譜學(xué)對(duì)比研究，混凝土， 2020， 12 歐陽(yáng)東，稻殼灰對(duì)高強(qiáng)超高強(qiáng)混凝土鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度的影響，工業(yè)建筑， 2020， 11 歐陽(yáng)東，能與硅灰媲美的礦物摻料 —— 低溫稻殼灰，中國(guó)建材， 2020， 6 歐陽(yáng)東，幾種重要摻合料對(duì)混 凝土用水量的影響，《中國(guó)港灣建設(shè)》， 2020， 12 1歐陽(yáng)東，稻殼灰中的納米 SiO2 及其在混凝土中的應(yīng)用，農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2020， 3 近期所獲的學(xué)術(shù)獎(jiǎng)勵(lì) 巴黎列賓國(guó)際發(fā)明競(jìng)賽并獲金獎(jiǎng) 受獎(jiǎng)項(xiàng)目：一種稻殼熱解裝置及其產(chǎn)出的納米結(jié)構(gòu) SIO2 全部受獎(jiǎng)人員：歐陽(yáng)東 2020 年獲第 8 屆廣東省丁穎科技獎(jiǎng)并獲提名第 9 屆中國(guó)青年科技獎(jiǎng) 2020 年獲第 15 屆全國(guó)發(fā)明展銀獎(jiǎng) 受獎(jiǎng)項(xiàng)目：一種稻殼熱解裝置及其產(chǎn)出的納米結(jié)構(gòu) SIO2 全部受獎(jiǎng)人員：歐陽(yáng)東 2020 年獲廣東省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二 等獎(jiǎng)（第 1 獲獎(jiǎng)人） 受獎(jiǎng)項(xiàng)目：《礦物減水理論與高性能摻合料和超高性能混凝土》 鑒定意見(jiàn)：國(guó)際先進(jìn)水平，在稻殼灰顯微結(jié)構(gòu)研究方面，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。 經(jīng)費(fèi)投入、支出情況 經(jīng)費(fèi)投入 本項(xiàng)目的投資預(yù)算額為 萬(wàn)元。 2020年立項(xiàng)，歐陽(yáng)東主持，廣東省自然科學(xué)基金《混凝土超低水膠比拌和體系的礦物減水理論研究》（ 994502），巳按時(shí)完成并通過(guò)省級(jí)鑒定，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。 項(xiàng)目獲獎(jiǎng)及已發(fā)表的與本課題研究有關(guān)的主要論文、專(zhuān)著情況 項(xiàng)目組發(fā)表高性能礦物摻合料和混凝土方面的研究論文 50多篇（核心期刊 30多篇）。 歐陽(yáng)東主持完成的廣州市建委科研項(xiàng)目《機(jī)場(chǎng)高性能混凝土的研究與應(yīng)用》 已被國(guó)家重大工程 廣州新白云國(guó)際機(jī)應(yīng)用，所研制的新型高抗裂混凝土 補(bǔ)償收 縮纖維混凝土成功用于航站樓的建設(shè)，用量超過(guò) 4萬(wàn)立方。 2020年立項(xiàng)，歐陽(yáng)東主持，國(guó)家星火計(jì)劃項(xiàng)目〈生物質(zhì)納米 SiO2的開(kāi)發(fā)及其在混凝土中的應(yīng)用〉。暨南大學(xué)負(fù)責(zé)項(xiàng)目總體技術(shù)方案的制定 和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)；香港城市大學(xué)負(fù)責(zé)微觀結(jié)構(gòu)表征等試驗(yàn)研究。主要從事生物源納米 Si02 等課題的研究。 工作條件 暨南大學(xué)是國(guó)家 211 重點(diǎn)建設(shè)大學(xué)，也是廣東省重點(diǎn)建設(shè)的三所高水平大學(xué)之一，在本項(xiàng)目相關(guān)的材料學(xué)、環(huán)境工程學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、生 物礦化學(xué)、生命科學(xué)等方面具有很好的研究基礎(chǔ)，學(xué)校實(shí)驗(yàn)技術(shù)中心裝備有本項(xiàng)目顯微結(jié)構(gòu)研究所需的大型儀器設(shè)備，如 XRD、 HRTEM、 SEM、 EDAX、 IR 等，能滿足本項(xiàng)目的要求。另外，課題中熱解條件與 SiO2 結(jié)構(gòu) 變異以及火山灰活性變異的關(guān)系也未完全清楚，而這些關(guān)系是制定生物源納米結(jié)構(gòu) SiO2 制取工藝的直接依據(jù)，需要充分研究。 項(xiàng)目申請(qǐng)人近幾年發(fā)表的相關(guān)研究論文包括： 歐陽(yáng)東、陳楷，稻殼灰顯微結(jié)構(gòu)及其中納米 Si02 的電鏡觀察，電子顯 微學(xué)報(bào)， 2020， 5 歐陽(yáng)東、陳楷，低溫稻殼灰的顯微結(jié)構(gòu)及其化學(xué)活性，硅酸鹽學(xué)報(bào)， 2020， 11 歐陽(yáng)東， RHA中的納米 Si02及其對(duì) HSC增強(qiáng)作用，全國(guó)第三屆納米材料會(huì)議論文集 ,2020, 南京 歐陽(yáng)東、陳楷，稻殼灰顯微結(jié)構(gòu)的研究，材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2020， 5 歐陽(yáng)東，納米 Si02 低溫稻殼灰用于混凝土的研究，新型建筑材料， 2020， 歐陽(yáng)東，稻殼新出路，制備混凝土用納米 Si02，中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)， 2020， 3 歐陽(yáng)東，稻殼灰與硅灰波譜學(xué)對(duì)比研究，混凝土， 2020， 12 歐陽(yáng)東，稻殼灰對(duì)高強(qiáng)超高強(qiáng)混凝土鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度的影響，工業(yè)建筑， 2020， 11 歐陽(yáng)東，能與硅灰媲美的礦物摻料 —— 低溫稻殼灰，中國(guó)建材， 2020， 6 歐陽(yáng)東，稻殼灰中的納米 SiO2 及其在混凝土中的應(yīng)用，農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2020， 3 雖然前期項(xiàng)目取得了一定的成果，但稻殼制取納米硅課題仍存在一些未解決的重要基礎(chǔ)問(wèn)題，對(duì)稻殼灰納米 SIO2 的產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)產(chǎn)生制約。城大全方位地開(kāi)展對(duì)外交流與合作，已與 24 個(gè)國(guó)家 和地區(qū)約 210 個(gè)合作伙伴建立了合作關(guān)系，合作項(xiàng)目達(dá) 336 項(xiàng)之多。近年來(lái)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)國(guó)家和省部級(jí)項(xiàng)目多項(xiàng)，獲國(guó)家發(fā)明獎(jiǎng) 1項(xiàng)，廣東省科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng) 1項(xiàng)；法國(guó)巴黎列賓國(guó)際發(fā)明獎(jiǎng) 1項(xiàng)； 1人次獲國(guó)務(wù)院 政府特殊津貼， 1人次獲廣東省丁穎科技獎(jiǎng)。 合作方式 項(xiàng)目由暨南大學(xué) 理工學(xué)院 負(fù)責(zé)主持 ， 與 香港城市大學(xué) 科學(xué)及工程學(xué)院 合作共同實(shí)施。 普通納米 Si0硅灰、生物源納米 Si02 的比較研究 （ 1）采用 XRD 研究三種高活性硅（生物源納米 SIO氣相納米 SiO硅灰）與 Ca（ OH） 2 的水化漿體在 12h、 1d、 3d、 7d、 14d、 28d 的衍射圖譜，比較它們火山灰活性大小和反應(yīng)速度； （ 2）采用水泥凈漿和砂漿試驗(yàn)，比 較三種高活性硅對(duì)水泥材料改性作用的大??； （ 3）采用普通混凝土和高強(qiáng)混凝土試驗(yàn)，比較三種高活性硅對(duì)各種混凝土改性作用（包括力學(xué)性能和耐久性能）的大小。生物源 SiO2的整個(gè)市場(chǎng)容量有可能超過(guò) 10億元。 本項(xiàng)目在最大程度上開(kāi)發(fā)利用了稻殼潛在的資源價(jià)值，減輕了稻殼對(duì)環(huán)境的巨大壓力，為混凝土等行業(yè)提供了具有實(shí)用價(jià)值的納米改性材料；另外，本項(xiàng)目的實(shí)施還可以增加農(nóng)民的收入來(lái)源，為農(nóng) 業(yè)減負(fù)增收做出重要貢獻(xiàn)，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益的高度統(tǒng)一。 具有重大經(jīng)濟(jì)價(jià)值 項(xiàng)目研制的生物源納米結(jié)構(gòu) Si02，在水泥混凝土等行業(yè)應(yīng)用 的性能和普通氣相納米硅大體相當(dāng)，但成本僅為普通氣相納米硅 1/100。 項(xiàng)目的特色和創(chuàng)新之處 本項(xiàng)目的特色和創(chuàng)新之處 體現(xiàn)在以下幾方面 ： 具有較強(qiáng)原始創(chuàng)新性 （ 1） 從某些植物中提取具有實(shí)用價(jià)值的生物源納米氧化硅是一種全新的概念和方法，國(guó)內(nèi)外鮮見(jiàn)試驗(yàn)研究和產(chǎn)業(yè)化報(bào)道。對(duì)熱解條件與稻殼灰 SiO2 化學(xué)活性的關(guān)系已有一些研究，但熱解條件與 SiO2 結(jié)構(gòu)變異的關(guān)系的研究尚未見(jiàn)到報(bào)道，尚需充分研究。這種同時(shí)利用稻殼的資源和能源的技術(shù)路線，不僅保證了稻殼低溫?zé)峤獾目尚?，而且利用了稻殼焚燒過(guò)程所產(chǎn)生的熱能，同時(shí)也解決了稻殼一次焚燒數(shù)量受限制的重大難題。上述研究，目的是證實(shí)稻殼各部位生物源 Si02 是否以納米結(jié)構(gòu)形式存在 ,為稻殼生物源 Si02 的高附加值開(kāi)發(fā)利用提供理論基礎(chǔ)。研究表明，原先必須用 SiO2粉體材料作添加劑的制品，在不改變其工藝流程的同時(shí)而改用納米 SiO2作添料，其制品的各項(xiàng)功能、性能指標(biāo)都會(huì)大幅度提高，因而納米 SiO2在橡膠行業(yè)、涂料行業(yè)、塑料行業(yè)、膠粘劑行業(yè)、紡織、陶瓷、生物醫(yī)學(xué)、軍事等行業(yè)有重要應(yīng)用，被譽(yù)為 21世紀(jì)的高科技材料。研究表明，焚燒溫度超過(guò) 600度，其化學(xué)活性是不高的。雖然對(duì)稻殼有過(guò)較多的研究，知道稻殼的含硅量很高（ 20%），但對(duì)稻殼中硅的存在方式卻知之不多。另外，在耐火材料行業(yè)、硅化學(xué)工業(yè)、食品行業(yè)、環(huán)保行業(yè)等大劑量使用 SIO2的行業(yè)，使用普通納 米硅成本過(guò)大。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 2020年全國(guó)消費(fèi)量達(dá) 2200噸，并以 30%的速率每年增長(zhǎng)。最近的研究表明，納米 SIO2對(duì)水泥混凝土改性作用也十分強(qiáng)烈，是一種性能極為優(yōu)越的 改 性添加劑。化學(xué)外加劑（主要是超塑化劑）已穩(wěn)定地成為混凝土的第五組分；而礦物摻合料（主要是高活性火山灰材料）由于對(duì)混凝土的力學(xué)性能，工作性能和耐久性能有重要的提升作用，正成為高強(qiáng)、高性能混凝土必要的第六組分。下表給出了稻殼（礱糠）和米糠的一般成分。當(dāng)前全世界稻谷總產(chǎn)量近6 億噸，而我國(guó)總產(chǎn)量約 2 億噸，占全世界總產(chǎn)量的 1/3，居世界首位。近來(lái)，已有氣相法納米硅對(duì)混凝土改性的研究報(bào)道，其增強(qiáng)效果十分明顯。 （ 2） 經(jīng)濟(jì)意義： 納米 SiO2對(duì)水泥混凝土的改性增強(qiáng)效果十分顯著，但通常方法制備的納米 SiO2價(jià) 格高昂，用于量大、價(jià)廉的混凝土等材料并不實(shí)際。 理想的稻殼熱解裝置應(yīng)符合以下要求：（ 1）焚燒溫度要低（ 600℃左右）； （ 2）焚燒完全，未燃燒碳含量要低； （ 3）容積足夠大。 事實(shí)上，稻殼含有的約 20%的無(wú)定形 SiO2是一種極為寶貴的礦物資源，應(yīng)當(dāng)設(shè)法加以高質(zhì)化利用。研究表明，生物源 SiO2不是化學(xué)計(jì)量礦物 ,其 礦化體以水合共鍵無(wú)機(jī)高分子形式 [SiOn/2（ OH） 4n]m （ n=04；m可無(wú)限大）存在 ,它的性質(zhì)包括密度、硬度、溶解度、黏度和結(jié)構(gòu)組分都直接或間接受到各種細(xì)胞水平的影響 [1011]。 2020年，成果通過(guò)了省級(jí)科研鑒定。簡(jiǎn)單燒制的稻殼灰被看作廉價(jià)高硅火山灰材料用于水泥混凝土中。這種納米氧化硅不僅存在于無(wú)機(jī)物中，而且存在于生物體中。 目前國(guó)內(nèi)外制備納米 SiO2，主要采用氣相法和沉淀法。2020年 9 月 黑龍江省黑河市境內(nèi)連續(xù)發(fā)生的 5 起特大森林火災(zāi)，起火原因就是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民就地燃燒稻殼和秸稈時(shí)引發(fā)的。而我國(guó)時(shí)至今日，卻仍有一些地方習(xí)慣將已分離的稻殼和碎米或米糠混合起來(lái)磨制粗飼料。稻谷中，稻殼約占 20%，按此計(jì)算，全世界每年 的稻殼數(shù)量在 億噸左右，而我國(guó)也高達(dá) 4000 萬(wàn)噸， 數(shù)量 十分 龐大 。事實(shí)上，稻殼營(yíng)養(yǎng)價(jià)值極低。這一技術(shù)已研究多年，目前也建立了一些示范工程。本項(xiàng)目即探索從農(nóng)業(yè)廢棄物稻殼提取高活性納米結(jié)構(gòu) SiO2 的可能性，為稻殼的高質(zhì)化利用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。納米 SiO2 的批量生產(chǎn)為納米技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。 然而， 數(shù)量龐大的農(nóng)業(yè)廢棄物稻殼含有大量（約 20%） 的氧化硅，并且這些氧化硅可能通過(guò)植物這一“大自然之手”“加工修飾”成納米結(jié)構(gòu)的形式富集在稻殼中，構(gòu)成稻殼的骨架結(jié)構(gòu)。在隨后的 2020年，國(guó)際著名的材料科學(xué)權(quán)威刊物《 Material Science and Engineering A 》發(fā)表了論文《 Preparation and characterization of nanostructured silica from rice husk》， Liou, TzongHorng證實(shí)了低溫稻殼灰中的 SiO2確實(shí)以納米結(jié)構(gòu)的形式存在，并且所觀察到的納米 SiO2粒子參數(shù)和申請(qǐng)者多年前觀察到的完全吻合。 2020年成果又被中國(guó)發(fā)明協(xié)會(huì)選送參加法國(guó)巴黎列賓國(guó)際發(fā)明競(jìng)賽。這一猜想必須進(jìn)一步通過(guò)深入系統(tǒng)的研究加以證實(shí)。 1993年，日本人杉田修一在中國(guó)申請(qǐng)了《生產(chǎn)活性稻殼灰的裝置》專(zhuān)利 [37]]。因此，研制符合上述三個(gè)要求的熱解裝置是由稻殼制備生物源納米 SiO2的一大關(guān)鍵，也是本項(xiàng)目的關(guān)鍵。本項(xiàng)目的研究，不僅充分挖掘稻殼潛在的資源價(jià)值，而且可以有效緩解稻殼對(duì)環(huán)境巨大壓力，具有極其重要的社會(huì)意義。 （ 3）科學(xué)意義： 納米 SIO2是納米材料中的重要一種，具有特殊的結(jié)構(gòu)層次，對(duì)材料具有重要改性作用。按此計(jì)算，全世界每年的稻殼數(shù)量在 億噸左右，而我國(guó)也達(dá) 4000 萬(wàn)噸， 數(shù)量 十分 龐大 。稻谷中含有約 8%的粗蛋白質(zhì)， 60%以上的無(wú)氮浸出物及約 8%的粗纖維，如不脫殼，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值低于米糠，在能量飼料中屬中低檔谷物。此外，磨細(xì)天然沸石粉和活化高嶺土也相繼被開(kāi)發(fā)，以期望能替代硅灰。沉淀法則是由可溶性硅以酸分解，制得不溶性的納米級(jí) SiO2。已有研究表明，納米 硅對(duì)水泥混凝土材料等大宗材料也有很好的增強(qiáng)改性作用。自然界中的 SiO2 大多數(shù)呈結(jié)晶狀態(tài)存在，無(wú)定形 SiO2很少。本項(xiàng)目組在近期對(duì)低溫稻殼灰的大量研究中，用高分辨率的 SEM和 TEM偶然發(fā)現(xiàn)，在很低的焚燒溫度下，稻殼熱裂解得到的稻殼灰全部由納米結(jié)構(gòu)的 SiO2粒子所組成，并且由這些稻殼灰得到的生物源納米SiO2，其火山灰活性以及對(duì)水泥混凝土的 增強(qiáng)效應(yīng)并不遜色于納米硅，而其成本只有普通納米硅的 1/100。已試驗(yàn)性生產(chǎn)出小批量生物源納米結(jié)構(gòu) SiO2并投入了實(shí)際工程使用，在廣州第二高樓 —— 廣東郵電樞紐大廈工程 C80超高強(qiáng)混凝土的配制中，生物源納米 SiO2與最佳粒徑磨細(xì)礦渣微粉復(fù)合，使配制的混凝土在超高強(qiáng)的同時(shí)，可泵性能優(yōu)越，一次性泵上了 250米以上的高度，創(chuàng)下了我國(guó)超高強(qiáng)混凝土配制施工的一個(gè)紀(jì) 錄。以混凝土為例，研究表明，從稻殼中提取的生物源納米硅對(duì)混凝土改性的作用和普通納米 Si02相當(dāng)，而優(yōu)于硅灰，更遠(yuǎn)優(yōu)于風(fēng)選粉煤灰和磨細(xì)礦渣。目前國(guó)內(nèi)外所見(jiàn)的可工業(yè)化的稻殼熱解裝置均存在稻殼焚燒過(guò)程產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致焚燒溫度過(guò)高的問(wèn)題 ,這使得制取的 Si02 活性不高。 重點(diǎn)解決的技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)題 稻殼中生物 SiO2 的精確結(jié)構(gòu)和形態(tài) 稻殼中生物 SiO2 的精確結(jié)構(gòu)和形態(tài)的確定，是生物 SiO2 提取工藝確定的基礎(chǔ)，因此是本 項(xiàng)目關(guān)鍵的問(wèn)題