【正文】 歐陽東、陳楷，低溫稻殼灰的顯微結構及其化學活性，硅酸鹽學報， 2020， 11 歐陽東， RHA中的納米 Si02及其對 HSC增強作用，全國第三屆納米材料會議論文集 ,2020, 南京 歐陽東、陳楷，稻殼灰顯微結構的研究，材料科學與工程學報， 2020， 5 歐陽東，納米 Si02 低溫稻殼灰用于混凝土的研究，新型建筑材料， 2020， 歐陽東，稻殼新出路，制備混凝土用納米 Si02，中國農(nóng)業(yè)科技導報， 2020， 3 歐陽東，稻殼灰與硅灰波譜學對比研究，混凝土， 2020， 12 歐陽東，稻殼灰對高強超高強混凝土鋼筋粘結強度的影響，工業(yè)建筑， 2020， 11 歐陽東，能與硅灰媲美的礦物摻料 —— 低溫稻殼灰，中國建材， 2020， 6 歐陽東，幾種重要摻合料對混 凝土用水量的影響，《中國港灣建設》， 2020， 12 1歐陽東，稻殼灰中的納米 SiO2 及其在混凝土中的應用，農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報， 2020， 3 近期所獲的學術獎勵 巴黎列賓國際發(fā)明競賽并獲金獎 受獎項目：一種稻殼熱解裝置及其產(chǎn)出的納米結構 SIO2 全部受獎人員：歐陽東 2020 年獲第 8 屆廣東省丁穎科技獎并獲提名第 9 屆中國青年科技獎 2020 年獲第 15 屆全國發(fā)明展銀獎 受獎項目：一種稻殼熱解裝置及其產(chǎn)出的納米結構 SIO2 全部受獎人員：歐陽東 2020 年獲廣東省科學技術進步二 等獎（第 1 獲獎人） 受獎項目：《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：國際先進水平，在稻殼灰顯微結構研究方面，達到國際領先水平。 經(jīng)費投入、支出情況 經(jīng)費投入 本項目的投資預算額為 萬元。 2020年立項，歐陽東主持，廣東省自然科學基金《混凝土超低水膠比拌和體系的礦物減水理論研究》（ 994502），巳按時完成并通過省級鑒定，達到國際先進水平。 項目獲獎及已發(fā)表的與本課題研究有關的主要論文、專著情況 項目組發(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）。 歐陽東主持完成的廣州市建委科研項目《機場高性能混凝土的研究與應用》 已被國家重大工程 廣州新白云國際機應用，所研制的新型高抗裂混凝土 補償收 縮纖維混凝土成功用于航站樓的建設，用量超過 4萬立方。 2020年立項，歐陽東主持，國家星火計劃項目〈生物質(zhì)納米 SiO2的開發(fā)及其在混凝土中的應用〉。暨南大學負責項目總體技術方案的制定 和實驗室試驗；香港城市大學負責微觀結構表征等試驗研究。主要從事生物源納米 Si02 等課題的研究。 工作條件 暨南大學是國家 211 重點建設大學，也是廣東省重點建設的三所高水平大學之一，在本項目相關的材料學、環(huán)境工程學、無機化學、生 物礦化學、生命科學等方面具有很好的研究基礎，學校實驗技術中心裝備有本項目顯微結構研究所需的大型儀器設備，如 XRD、 HRTEM、 SEM、 EDAX、 IR 等，能滿足本項目的要求。另外，課題中熱解條件與 SiO2 結構 變異以及火山灰活性變異的關系也未完全清楚，而這些關系是制定生物源納米結構 SiO2 制取工藝的直接依據(jù)，需要充分研究。 項目申請人近幾年發(fā)表的相關研究論文包括： 歐陽東、陳楷，稻殼灰顯微結構及其中納米 Si02 的電鏡觀察，電子顯 微學報， 2020， 5 歐陽東、陳楷，低溫稻殼灰的顯微結構及其化學活性，硅酸鹽學報， 2020， 11 歐陽東， RHA中的納米 Si02及其對 HSC增強作用，全國第三屆納米材料會議論文集 ,2020, 南京 歐陽東、陳楷，稻殼灰顯微結構的研究，材料科學與工程學報， 2020， 5 歐陽東，納米 Si02 低溫稻殼灰用于混凝土的研究，新型建筑材料， 2020， 歐陽東，稻殼新出路，制備混凝土用納米 Si02，中國農(nóng)業(yè)科技導報， 2020， 3 歐陽東，稻殼灰與硅灰波譜學對比研究，混凝土， 2020， 12 歐陽東，稻殼灰對高強超高強混凝土鋼筋粘結強度的影響，工業(yè)建筑， 2020， 11 歐陽東，能與硅灰媲美的礦物摻料 —— 低溫稻殼灰，中國建材， 2020， 6 歐陽東，稻殼灰中的納米 SiO2 及其在混凝土中的應用，農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報， 2020， 3 雖然前期項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問題，對稻殼灰納米 SIO2 的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)產(chǎn)生制約。城大全方位地開展對外交流與合作，已與 24 個國家 和地區(qū)約 210 個合作伙伴建立了合作關系，合作項目達 336 項之多。近年來團隊承擔國家和省部級項目多項，獲國家發(fā)明獎 1項，廣東省科技進步獎二等獎 1項；法國巴黎列賓國際發(fā)明獎 1項； 1人次獲國務院 政府特殊津貼， 1人次獲廣東省丁穎科技獎。 合作方式 項目由暨南大學 理工學院 負責主持 ， 與 香港城市大學 科學及工程學院 合作共同實施。 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速度； （ 2）采用水泥凈漿和砂漿試驗，比 較三種高活性硅對水泥材料改性作用的大?。? （ 3）采用普通混凝土和高強混凝土試驗，比較三種高活性硅對各種混凝土改性作用（包括力學性能和耐久性能）的大小。生物源 SiO2的整個市場容量有可能超過 10億元。 本項目在最大程度上開發(fā)利用了稻殼潛在的資源價值，減輕了稻殼對環(huán)境的巨大壓力，為混凝土等行業(yè)提供了具有實用價值的納米改性材料；另外，本項目的實施還可以增加農(nóng)民的收入來源，為農(nóng) 業(yè)減負增收做出重要貢獻，達到了經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益的高度統(tǒng)一。 具有重大經(jīng)濟價值 項目研制的生物源納米結構 Si02，在水泥混凝土等行業(yè)應用 的性能和普通氣相納米硅大體相當，但成本僅為普通氣相納米硅 1/100。 項目的特色和創(chuàng)新之處 本項目的特色和創(chuàng)新之處 體現(xiàn)在以下幾方面 ： 具有較強原始創(chuàng)新性 （ 1） 從某些植物中提取具有實用價值的生物源納米氧化硅是一種全新的概念和方法，國內(nèi)外鮮見試驗研究和產(chǎn)業(yè)化報道。對熱解條件與稻殼灰 SiO2 化學活性的關系已有一些研究，但熱解條件與 SiO2 結構變異的關系的研究尚未見到報道，尚需充分研究。這種同時利用稻殼的資源和能源的技術路線，不僅保證了稻殼低溫熱解的可行，而且利用了稻殼焚燒過程所產(chǎn)生的熱能，同時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，目的是證實稻殼各部位生物源 Si02 是否以納米結構形式存在 ,為稻殼生物源 Si02 的高附加值開發(fā)利用提供理論基礎。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而改用納米 SiO2作添料，其制品的各項功能、性能指標都會大幅度提高，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、軍事等行業(yè)有重要應用，被譽為 21世紀的高科技材料。研究表明，焚燒溫度超過 600度，其化學活性是不高的。雖然對稻殼有過較多的研究，知道稻殼的含硅量很高（ 20%），但對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 米硅成本過大。據(jù)統(tǒng)計， 2020年全國消費量達 2200噸，并以 30%的速率每年增長。最近的研究表明，納米 SIO2對水泥混凝土改性作用也十分強烈，是一種性能極為優(yōu)越的 改 性添加劑?；瘜W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）由于對混凝土的力學性能，工作性能和耐久性能有重要的提升作用，正成為高強、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。當前全世界稻谷總產(chǎn)量近6 億噸，而我國總產(chǎn)量約 2 億噸，占全世界總產(chǎn)量的 1/3，居世界首位。近來，已有氣相法納米硅對混凝土改性的研究報道，其增強效果十分明顯。 （ 2） 經(jīng)濟意義： 納米 SiO2對水泥混凝土的改性增強效果十分顯著，但通常方法制備的納米 SiO2價 格高昂，用于量大、價廉的混凝土等材料并不實際。 理想的稻殼熱解裝置應符合以下要求：（ 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。 事實上，稻殼含有的約 20%的無定形 SiO2是一種極為寶貴的礦物資源，應當設法加以高質(zhì)化利用。研究表明，生物源 SiO2不是化學計量礦物 ,其 礦化體以水合共鍵無機高分子形式 [SiOn/2（ OH） 4n]m （ n=04；m可無限大）存在 ,它的性質(zhì)包括密度、硬度、溶解度、黏度和結構組分都直接或間接受到各種細胞水平的影響 [1011]。 2020年，成果通過了省級科研鑒定。簡單燒制的稻殼灰被看作廉價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機物中，而且存在于生物體中。 目前國內(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，起火原因就是當?shù)剞r(nóng)民就地燃燒稻殼和秸稈時引發(fā)的。而我國時至今日，卻仍有一些地方習慣將已分離的稻殼和碎米或米糠混合起來磨制粗飼料。稻谷中，稻殼約占 20%，按此計算，全世界每年 的稻殼數(shù)量在 億噸左右，而我國也高達 4000 萬噸， 數(shù)量 十分 龐大 。事實上，稻殼營養(yǎng)價值極低。這一技術已研究多年，目前也建立了一些示范工程。本項目即探索從農(nóng)業(yè)廢棄物稻殼提取高活性納米結構 SiO2 的可能性，為稻殼的高質(zhì)化利用提供堅實的理論基礎。納米 SiO2 的批量生產(chǎn)為納米技術的開發(fā)應用提供了物質(zhì)基礎。 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植物這一“大自然之手”“加工修飾”成納米結構的形式富集在稻殼中，構成稻殼的骨架結構。在隨后的 2020年，國際著名的材料科學權威刊物《 Material Science and Engineering A 》發(fā)表了論文《 Preparation and characterization of nanostructured silica from rice husk》， Liou, TzongHorng證實了低溫稻殼灰中的 SiO2確實以納米結構的形式存在，并且所觀察到的納米 SiO2粒子參數(shù)和申請者多年前觀察到的完全吻合。 2020年成果又被中國發(fā)明協(xié)會選送參加法國巴黎列賓國際發(fā)明競賽。這一猜想必須進一步通過深入系統(tǒng)的研究加以證實。 1993年，日本人杉田修一在中國申請了《生產(chǎn)活性稻殼灰的裝置》專利 [37]]。因此，研制符合上述三個要求的熱解裝置是由稻殼制備生物源納米 SiO2的一大關鍵，也是本項目的關鍵。本項目的研究，不僅充分挖掘稻殼潛在的資源價值，而且可以有效緩解稻殼對環(huán)境巨大壓力，具有極其重要的社會意義。 （ 3）科學意義： 納米 SIO2是納米材料中的重要一種，具有特殊的結構層次，對材料具有重要改性作用。按此計算，全世界每年的稻殼數(shù)量在 億噸左右，而我國也達 4000 萬噸， 數(shù)量 十分 龐大 。稻谷中含有約 8%的粗蛋白質(zhì)， 60%以上的無氮浸出物及約 8%的粗纖維，如不脫殼，營養(yǎng)價值低于米糠，在能量飼料中屬中低檔谷物。此外，磨細天然沸石粉和活化高嶺土也相繼被開發(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 SiO2。已有研究表明，納米 硅對水泥混凝土材料等大宗材料也有很好的增強改性作用。自然界中的 SiO2 大多數(shù)呈結晶狀態(tài)存在，無定形 SiO2很少。本項目組在近期對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構的 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水泥混凝土的 增強效應并不遜色于納米硅，而其成本只有普通納米硅的 1/100。已試驗性生產(chǎn)出小批量生物源納米結構 SiO2并投入了實際工程使用，在廣州第二高樓 —— 廣東郵電樞紐大廈工程 C80超高強混凝土的配制中，生物源納米 SiO2與最佳粒徑磨細礦渣微粉復合，使配制的混凝土在超高強的同時，可泵性能優(yōu)越，一次性泵上了 250米以上的高度，創(chuàng)下了我國超高強混凝土配制施工的一個紀 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混凝土改性的作用和普通納米 Si02相當，而優(yōu)于硅灰，更遠優(yōu)于風選粉煤灰和磨細礦渣。目前國內(nèi)外所見的可工業(yè)化的稻殼熱解裝置均存在稻殼焚燒過程產(chǎn)生的熱量導致焚燒溫度過高的問題 ,這使得制取的 Si02 活性不高。 重點解決的技術關鍵問題 稻殼中生物 SiO2 的精確結構和形態(tài) 稻殼中生物 SiO2 的精確結構和形態(tài)的確定，是生物 SiO2 提取工藝確定的基礎，因此是本 項目關鍵的問題