采用热重-傅里叶红外光谱(TG-FTIR)研究硬质聚氨酯泡沫(RPUF)和硬质聚氨酯泡沫/膨胀石墨复合材料(RPUF/EG)燃烧过程中气相产物生成及变化规律, 采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)研究其炭渣的微观形貌、 元素组成及键合状态, 结合阻燃性能测试阐明RPUF/EG复合材料阻燃机理。 SEM分析表明RPUF/EG复合材料燃烧后炭渣中存在大量 “蠕虫状”结构。 TG-FTIR分析表明RPUF/EG复合材料热解分为两个阶段, 第一个阶段对应于聚氨酯分子链硬段的降解, 第二个阶段对应于聚氨酯分子链软段的降解, 降解产物有异氰酸酯化合物、 胺类化合物、 碳氢化合物、 芳香族化合物、 CO、 CO2以及酯类化合物, RPUF/EG硬段降解产物强度高于PRUF的降解。 XPS分析表明RPUF炭渣中C, N和O元素含量分别为77.63%, 10.30%和12.07%, RPUF/EG30炭渣三种元素含量分别为82.18%, 9.18%和8.35%。 在此基础上, 通过对C元素的分峰拟合发现RPUF炭渣中C—C/C—H, C—O/C—N和CO/CN含量分别为51.38%, 38.89%和9.73%, RPUF/EG30炭渣中三种结构含量分别为53.99%, 37.62%和8.39%, 说明膨胀石墨的加入有利于聚氨酯分子链中C元素形成稳定石墨碳结构, 从而有利于形成致密炭层; 通过对N元素的分峰拟合发现RPUF炭渣中—NH—和N结构含量分别为49.06%和50.94%, RPUF/EG30炭渣中—NH—和N结构含量分别为43.96%和56.04%, 说明膨胀石墨的加入有利于聚氨酯分子链中N元素形成稳定芳杂环结构, 从而形成致密炭层; 通过对O元素的分峰拟合发现RPUF炭渣中O, —O—和O2/H2O三种结构含量分别为19.30%, 16.72%和63.98%, RPUF/EG炭渣中三种结构含量分别为25.57%, 36.60%和37.83%, 进一步说明RPUF/EG炭渣致密性明显提高。 综合TG-FTIR, XPS和SEM分析, 结合阻燃性能测试可以得出RPUF/EG复合材料阻燃机制: 膨胀石墨粒子在燃烧过程中膨胀形成“蠕虫状”结构, 其释放的酸性气体促进了聚氨酯分子链硬段的降解, 并且促进聚氨酯分子链中C和N等元素形成致密炭层, 上述致密炭层与“蠕虫状”结构一起覆盖在燃烧区域表面, 有效抑制燃烧区域物质以及能量的输运, 从而达到阻燃目的。 以上研究为揭示膨胀石墨阻燃机理, 拓展其在相关领域的使用提供了实验基础和理论依据。

钢渣是冶金工业中产生的主要固体废弃物, 其产量约为每年粗钢产量的15%~20%。 由于技术的局限, 导致我国钢渣利用率较低, 仅为年钢渣产量的10%, 同时加之管理制度的不健全, 导致钢渣大量露天堆放, 对土地资源、 地下水源, 以及空气质量形成严重影响。 固体废弃物再利用是资源可持续发展的重要途径之一, 钢渣的主要化学成分为CaO, SiO2, Al2O3, MgO, Fe2O3, MnO, f-CaO等。 面对上述问题, 利用冶金固体废弃物与活性炭开发一种价格低廉且性能优越的活性炭混合钢渣复合材料, 既是冶金固体废弃物的高附加值利用与资源可持续发展的重要途径之一, 也是大幅降低改性活性炭生产成本与提高经济效益的重要途径之一。 该研究创新性以活性炭与钢渣为研究对象, 利用钢渣中含有的金属氧化物对活性炭进行改性处理制备用于烧结烟气脱硫脱硝的活性炭混合钢渣复合材料, 通过搭建实验反应装置对活性炭混合钢渣复合材料的脱硫脱硝性能进行测试。 利用X射线荧光光谱仪(XRF)对钢渣的化学成分进行测试与分析, 比表面积及孔径测定仪(BET)对活性炭混合钢渣复合材料的孔结构进行测试与分析, 傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)对钢渣的结构组成进行测试与分析, 扫描电子显微镜(SEM)对活性炭混合钢渣复合材料的微观结构进行测试与分析, 以揭示活性炭与钢渣制备活性炭混合钢渣复合材料的机理, 以及活性炭混合钢渣复合材料对烧结烟气脱硫脱硝的机理。 结果表明: 当钢渣为电炉热泼渣、 钢渣与活性炭质量比为2∶4、 钢渣与活性炭细度为400目时, 活性炭混合钢渣复合材料具有良好的脱硫脱硝性能与合理的经济性, 即脱硫效率为100%、 脱硝效率为58%。 活性炭混合钢渣复合材料具有的多孔结构对SO2和NO进行有作用, 钢渣中Fe2O3与MnO2促使活性炭官能团进行催化还原反应提高脱硫脱硝性能, 其中吸附作用是主导与前提, 催化还原反应是辅助与协同。 以期为高附加值的钢渣利用提供新途径, 实现钢铁企业以废治废、 以废增效的目的。

利用木材、 竹子、 等其他生物资源制备具有发达多孔结构与丰富比表面积的活性炭, 存在生产成本较高、 不利于生态环境的可持续发展、 使用寿命短和失效后容易造成室内环境二次污染的问题。 冶金固体废弃物与生物质废弃物是工业生产与农业生产主要的副产品, 因利用难度大、 附加值低且成本高, 导致大量堆放和填埋, 不仅造成生态环境的污染, 而且极大的浪费潜在资源。 面对上述问题, 利用冶金固体废弃物与生物质废弃物开发一种价格低廉且性能优越的生态活性炭, 既是冶金固体废弃物与生物质废弃物的高附加值利用与资源可持续发展的重要途径之一, 也是大幅降低改性活性炭生产成本与提高经济效益的重要途径之一。 以核桃壳与电炉渣为研究对象, 利用电炉渣中含有的金属氧化物对生物质废弃物进行改性处理制备用于甲醛降解的生态活性炭, 依据《室内装饰装修材料人造板及其制品中甲醛释放限量》（GB18580—2017）对生态活性炭性能进行测试。 利用X-射线光电子能谱（XPS）对元素含量进行测试与分析, X-射线荧光光谱仪（XRF）对化学成分进行测试与分析, 傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）对结构组成进行测试与分析, X-射线衍射仪（XRD）对矿物组成进行测试与分析, 扫描电子显微镜（SEM）对微观结构进行测试与分析, 激光粒度仪（LPSA）对粒度分布进行测试与分析和比表面积及孔径测定仪（BET）对孔结构进行测试与分析, 以揭示核桃壳与电炉渣制备生态活性炭的机理, 以及生态活性炭对甲醛的降解机理。 结果表明: 核桃壳超微粉与电炉渣超微粉进行复合制备具有良好降解甲醛性能的生态活性炭, 不仅实现了冶金固体废弃物与生物质废弃物的高附加值的利用, 而且提出了“以废治危”的新室内空气甲醛治理理念。 电炉渣超微粉较好的被包裹于生态活性炭层状结构中, 提高生态活性炭的粉化率, 形成粒径较小的颗粒, 有利于提高生态活性炭与甲醛的降解作用面积。 电炉渣超微粉中含有Fe元素、 Mn元素与Ti元素, Fe元素具有磁性促使大量甲醛在生物质活性炭孔结构表面形成富集, Mn元素与Ti元素对已经富集的甲醛进行催化降解, 实现吸附降解与催化降解的协同作用。

以焦炉上升管内壁结焦炭层为研究对象, 采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)研究各结焦炭层的微观形貌、 元素组成及键合状态, 分析结焦炭层织构形成及演化规律。 SEM研究表明, 焦炉上升管内壁各结焦炭层形貌呈现较大的差异性, 1#结焦炭层呈现0.1～1.0 μm颗粒化炭颗粒松散堆叠的多孔结构, 2#和3#结焦炭层呈现粒径为 1.0～3.0 μm 的炭颗粒堆积形貌且致密性有所提高, 4#结焦炭层呈现大量花纹状致密结构。 以上现象可说明结焦炭层的形成过程为: 首先由荒煤气中多环芳烃形成0.1～1.0 μm的颗粒状初级炭层, 颗粒状初级炭层在荒煤气粉尘中金属元素(如Fe)的催化作用下相互反应, 形成更为致密的1.0～3.0 μm的中级炭层结构, 中级炭层在高温条件下进一步形成致密的终级炭层结构。 XPS分析表明, 1#—4#结焦炭层含C量分别为91.78%, 91.95%, 92.74%和94.01%, 含O量分别为5.58%, 5.42%, 4.39%和2.86%, C/O比分别为16.45, 16.96, 21.12和32.87, 说明在炭层结构变化的同时, 炭层中含氧基团在高温及粉尘中金属元素(如Fe)作用下发生脱除反应, 使得炭层中宏观C/O比逐渐升高。 在此基础上, 通过对C元素键合状态分峰发现, 1#—4#结焦炭层中C—C/C—H结构含量分别为80.42%, 78.00%, 75.50%和81.29%, C—O/C—N结构含量分别为10.22%, 11.93%, 13.54%和9.35%, CO/CN结构含量分别为9.36%, 10.07%, 10.96%和9.36%。 O元素键合状态分峰发现, 1#—4#结焦炭层中O结构含量分别为20.40%, 22.21%, 19.93%, 18.36%, —O—结构含量分别为24.60%, 27.80%, 31.35%, 37.82%, O2/H2O结构含量分别为55.00%, 49.99%, 48.72%和43.82%。 以上现象说明结焦炭层上发生如下化学变化: 初级炭层中多孔结构会吸附荒煤气中的氧气(O2)和水分子(H2O)在高温条件下对炭层进行氧化。 脱除反应和氧化反应使得炭层中O元素在微观键合状态发生明显改变, 最终使得炭层中O2/H2O和O结构含量降低, —O—结构含量升高。 以上研究揭示了荒煤气上升管结焦炭层织构形成及演化机制, 为解决焦炉荒煤气上升管内壁结焦问题, 提高换热器效能, 降低焦化企业能耗提供了实验基础和理论依据。

以焦炉上升管内壁结焦炭层块为研究对象, 采用X射线荧光光谱仪(XRF)、 X射线衍射仪(XRD)、 傅里叶红外光谱仪(FTIR)和激光共聚焦拉曼光谱仪(Raman)对结焦炭层的元素组成, 以及各结焦炭层的矿物组成、 组成结构和分子结构进行测试。 分析从结焦炭层块外表面向内表面过渡的各结焦炭层的差异性, 揭示焦炉上升管内壁结焦机理。 结果表明焦炉上升管内粉尘中Fe, S和Cr极易催化荒煤气中蒽、 萘等稠环芳烃化合物成炭, 在焦炉上升管内壁形成炭颗粒沉积, 为焦油凝结挂壁提供载体, 在荒煤气温度降至结焦温度时易结焦积碳。 结焦炭层均含有芳香层结构, 随着结焦炭层从外表面向内表面过渡, 各结焦炭层的面层间距(d002)逐渐降低、 层片直径(La)先降低后增加、 层片堆砌高度(Lc)和芳香层数(N)先稳定后增加。 结焦炭层石墨化过程是由结焦炭层内表面向外表面进行, 主要包括其片层外缘的羧基和部分C—O结构的降解剥离, 从而形成高度规整的共轭结构。 结焦炭层块中C元素是以结晶碳与无定型碳的混合物形式存在。 以上研究为解决焦炉上升管内壁结焦及腐蚀问题, 提高换热器换热效率, 有效回收焦炉荒煤气显热, 降低焦化企业能耗提供实验基础和理论依据。

系统分析了黑龙江穆棱地区巨晶斜方辉石的性质、 化学成分和光谱学特征。 电子探针（EMPA）的分析结果表明, 该巨晶斜方辉石属于斜顽辉石, 其元素组成包括Ca, Na, Mg, Fe, Al, Ti, Si和O, 结构水含量为20～130 ppm。 拉曼光谱（Raman）的特征峰位于1 015, 678和345 cm-1, 分别由不同的振动类型引起。 傅里叶红外光谱（FTIR）的分析表明巨晶斜方辉石在官能团区具有三个明显的吸收峰, 它们分别位于3 550~3 590, 3 510~3 520和3 410~3 420 cm-1, 与幔源辉石结构水的吸收峰较为一致; 对巨晶斜方辉石的红外微区含水量测试分析表明, 结构水在不同巨晶斜方辉石间存在差异, 但在单一辉石样品内部分布均匀, 无明显核-边变化。

光谱学分析方法对分析物质结构及组成具有独特的优势。 为了分析和认识油页岩及其干酪根的矿物结构特点, 以及在不同热解温度下油页岩热解过程中矿物结构变化, 分别采用偏光显微镜(POM)、 傅里叶变换红外光谱(FTIR)、 X射线衍射光谱(XRD)和扫描电镜(SEM)等光学和光谱学手段, 研究了甘肃窑街油页岩和酸洗脱灰干酪根的矿物形态结构和组成以及在不同热解温度下(温度300～1 000 ℃, 升温速率10 ℃·min-1)矿物质和干酪根的形态结构演化特性及其机理。 结果表明, 甘肃窑街油页岩富含石英、 粘土矿和黄铁矿等无机矿物, 干酪根呈条块状不规则地镶嵌于无机矿物中; 干酪根的变质程度高, 富含芳香族和脂肪族结构; 在实验温度范围内, 随热解温度的升高, 油页岩中矿物质开始分解, 300 ℃时高岭石因脱水转变成偏高岭石, 在650 ℃时高岭石、 蒙脱石等完全分解生成偏高岭石, 当温度升高至1 000 ℃时偏高岭石分解生成Si—Al尖晶石和无定型SiO2, SiO2与含铁矿物在半焦表面析出了(FeO—Al2O3—SiO2)低熔点共融物; 干酪根随温度升高分解, 半焦的芳香族和脂肪族C—H基团的强度降低, 芳香碳的强度升高, 分解后在半焦中形成“沟壑”状残炭印记。 研究结果对油页岩热解过程矿物结构演化研究和油页岩矿物的资源综合利用具有重要的现实意义。