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。

活性炭具有发达多孔结构与丰富比表面积是一种高效的去除室内空气中甲醛的吸附性物质, 但是其存在生产成本较高、 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。 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, 以及空气质量的严重影响。 针对上述问题, 利用钢渣改性活性炭开发一种价格低廉且性能优异的改性活性炭, 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, 同时也大幅降低改性活性炭生产成本并提高经济效益。 以热闷渣超细粉作为研究对象, 利用X射线荧光光谱仪(XRF)与X射线衍射仪(XRD)对热闷渣的化学成分和热闷渣的矿物组成进行测试与分析, 针对热闷渣中主要的化学成分与主要的矿物组成, 制备热闷渣化学成分改性活性炭与热闷渣矿物组成改性活性炭, 依据《室内装饰装修材料人造板及其制品中甲醛释放限量》(GB 18580—2017)对热闷渣化学成分改性活性炭与热闷渣矿物组成改性活性炭的性能进行测试, 以研究热闷渣中主要的化学成分与主要的矿物组成对改性活性炭降解甲醛性能的影响, 以揭示热闷渣改性活性炭降解甲醛的作用机理。 结果表明: 热闷渣中主要化学成分为CaO, Fe2O3, SiO2, P2O5, MgO, MnO和Al2O3, 其中Fe2O3与MnO对活性炭进行改性可以提高降解甲醛性能。 热闷渣中主要矿物组成为Fe3O4, 3CaO·SiO2, 2CaO·SiO2和RO相, 其中Fe3O4与MnO对活性炭进行改性可以提高降解甲醛性能。 热闷渣中Fe元素为Fe2O3与Fe3O4, 是RO相的矿物组成形式, 热闷渣中Mn元素以MnO的化学成分与RO相的矿物组成形式存在, Fe元素与Mn元素协同作用提高热闷渣改性活性炭的降解甲醛性能。 热闷渣改性活性炭不仅实现了冶金固体废弃物的高附加值的利用, 而且创新出“以废治危”的新室内空气甲醛治理技术。

脱硫灰作为半干法脱硫技术主要副产品, 其利用难度大且成本高, 导致大量脱硫灰以直接堆放和填埋的方式处理, 不但造成环境污染, 而且浪费潜在资源。 橡胶作为广泛应用的聚合物材料, 在橡胶制备加工过程中需大量使用填料改善其力学性能、 加工性能和填充增容。 炭黑与白炭黑作为常用的橡胶填料, 其不仅生产工艺繁杂, 而且对能源和资源消耗量大, 导致成本较高。 面对上述问题, 如何利用脱硫灰开发一种价格低廉的无机橡胶填料, 既是固体废弃物高附加值利用又是资源可持续发展的重要途径之一, 也是橡胶企业大幅降低填料成本提高经济效益的重要途径之一。 由于脱硫灰属于无机材料, 橡胶属于有机材料, 为了更好的降低脱硫灰界面与橡胶界面（无机界面/有机界面）的不相容性, 需要对脱硫灰进行化学改性处理。 以该课题组前期取得的研究成果为基础, 创新性以改性脱硫灰取代部分炭黑制备改性脱硫灰基生态橡胶。 利用XRD对改性脱硫灰基生态橡胶制备过程各阶段的生产物质进行测试, 即丁苯橡胶密炼胶制备阶段、 改性脱硫灰基生态橡胶密炼胶制备阶段和改性脱硫灰基生态橡胶制备阶段, 从微观层面揭示丁苯橡胶密炼胶制备过程、 改性脱硫灰基生态橡胶密炼胶制备过程和改性脱硫灰基生态橡胶制备过程, 阐明硫化过程中丁苯橡胶密炼胶与改性脱硫灰的结合机理。 同时采用SEM对丁苯橡胶密炼胶与改性脱硫灰基生态橡胶密炼胶的微观形貌进行测试, 以进一步佐证所获得的相关机理。 结果表明： 改性脱硫灰加入丁苯橡胶密炼胶后, 改性脱硫灰基生态橡胶密炼胶的最大转矩Fmax大幅下降、 最小转矩FL保持稳定、 ΔF=Fmax-FL显著下降, 同时焦烧时间t10与正硫化时间t90均缩短。 硫化诱导期为0~387 s、 硫化反应期为387~1 586 s和硫化平坦期为1 586~1 800 s。 在硫化诱导期形成非交联网络结构、 硫化反应期前期形成基本交联网络结构、 硫化反应期后期完善交联网络结构和硫化平坦期保持交联网络结构。 以期为高附加值的脱硫灰资源化利用提供一定理论依据和技术支持。

随着社会经济的发展, 环境空气品质已经成为研究热点。 TiO2是一种化学稳定性高, 耐腐蚀性强, 对人体无毒无害的N型半导体材料。 利用TiO2的光催化性能提高室内环境空气品质已经成为研究焦点, 但是由于TiO2只能在紫外光源下才具有较高的光催化效率, 而在可见光源下的光催化效率较低, 从而极大的限制了TiO2在室内环境领域的发展。 因此, 研发在可见光源下具有良好光催化性能的TiO2复合材料势在必行。 利用元素掺杂改性技术与提高比表面积方法可以改善光催化反应过程中量子效率和对光能的利用率, 以加快电子和空穴向表面迁移的速率同时降低光生载流子的复合机率。 以二氧化硅SiO2为模板、 聚乙烯吡咯烷酮为成膜剂、 硝酸铈Ce(NO3)3·6H2O和硝酸铜Cu(NO3)2·3H2O为改性剂采用溶胶-凝胶法制备均匀粒度分布的Ce-Cu/TiO2空心微球, 并将制备过程分为四个阶段, 即纳米SiO2球模板的制备、 Ce-Cu/TiO2-SiO2复合微球凝胶的制备、 Ce-Cu/TiO2-SiO2复合微球的制备和Ce-Cu/TiO2空心微球的制备。 利用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)与X射线衍射仪(XRD)对Ce-Cu/TiO2空心微球的制备过程各阶段生成物进行测试与分析, 即在纳米SiO2球模板的制备阶段从微观角度研究纳米SiO2球模板的搭建过程, 在Ce-Cu/TiO2-SiO2复合微球凝胶的制备阶段研究TiO2附着于纳米SiO2球模板的过程, 在Ce-Cu/TiO2-SiO2复合微球的制备阶段研究煅烧工艺对Ce-Cu/TiO2-SiO2复合微球中晶相与结构的影响, 在Ce-Cu/TiO2空心微球的制备阶段研究氢氧化钠溶液对Ce-Cu/TiO2-SiO2复合微球中纳米SiO2球模板洗涤效果的影响。 利用紫外-可见分光光度计(UV-Vis)对Ce-Cu/TiO2空心微球的光响应性能进行测试与分析, 以研究Ce-Cu/TiO2空心微球对可见光源的利用效率。 利用激光粒度分析仪(LPSA)与扫描电子显微镜(SEM)对Ce-Cu/TiO2空心微球的粒度分布与微观形貌进行测试与分析, 以研究Ce-Cu/TiO2空心微球的均匀粒度分布效果。 结果表明: 以Si—O—Si基团构建非晶体结构的无定形态纳米SiO2球模板, 有利于聚乙烯吡咯烷酮在纳米SiO2球模板表面附着, 从而控制Ce-Cu/TiO2空心微球的空腔结构。 Ce-Cu掺杂基本进入TiO2晶体, 极少进入纳米SiO2球模板晶体, 从而抑制了Ce-Cu/TiO2-SiO2复合微球中TiO2由锐钛矿相向金红石相的转变。 Ce-Cu掺杂TiO2可以促使TiO2内部形成新的能级, 实现能量较小的光子捕获e-和h+, 从而提高Ce-Cu/TiO2空心微球对可见光源的利用效率。 Ce-Cu/TiO2空心微球的表面光滑且不存在明显的缺陷, 其形貌呈现良好的球体且粒径分布均匀, 即d90为219.54 nm, d50为151.60 nm、 d10为103.84 nm, 以及d90-d10为115.70 nm。 研究结果为进一步获得可见光源下具有良好光催化性能的均匀粒度分布Ce-Cu/TiO2空心微球提供理论依据和研究基础。

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, 以及空气质量造成严重影响。 固体废弃物再利用是资源可持续发展的重要途径之一, 由于钢渣的主要化学成分（CaO, SiO2, A12O3, MgO, Fe2O3, MnO, f-CaO等）、 主要矿物组成（硅酸三钙、 硅酸二钙、 钙镁橄榄石、 钙镁蔷薇辉石、 铁酸二钙等）与水泥熟料的主要化学成分、 主要矿物组成极为相似, 是一种具有潜在胶凝活性的胶凝材料。 以钢渣尾渣作为研究对象, 采用机械研磨的方式对钢渣尾渣处理, 即物理激发, 获得不同粒径钢渣尾渣微粉。 依据《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》（GB/T 20491—2006）与《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999）制备一系列钢渣尾渣胶砂试块(分别标记为Ａ40, Ａ60, Ａ80, Ａ100和Ａ120)。 研究对钢渣尾渣胶凝活性的影响, 以及不同水化时间对钢渣尾渣胶凝活性的影响, 即3 d钢渣尾渣胶砂强度、 7 d钢渣尾渣胶砂强度与28 d钢渣尾渣胶砂强度。 利用激光粒度分析仪（LPSA）对钢渣尾渣微粉的粒径分布进行测试与分析, X射线衍射仪（XRD）对钢渣尾渣微粉与钢渣尾渣胶砂的矿物组成进行测试与分析, 扫描电子显微镜（SEM）进行微观形貌测试与分析, 从而获得钢渣尾渣的物理激发机理。 结果表明, 随着钢渣尾渣微粉粒径的减小, 其胶凝活性呈现先增加后降低的趋势, 当研磨时间为80 min时, A80钢渣尾渣微粉的胶凝活性最高, 即3 d活性指数为67.55%、 7 d活性指数为71.96%和28 d活性指数为73.61%。 随着钢渣尾渣微粉粒径的减小, 钢渣尾渣微粉中RO相的XRD特征峰强度稳定, Ca2SiO4与Ca3SiO5的XRD特征峰强度呈现先增加后降低的趋势, Ca3SiO5与Ca2SiO4参与水化反应, 生成一定量的Ca(OH)2与C-S-H凝胶, 具有良好的胶凝活性。 A80钢渣尾渣微粉中Ca2SiO4含量较少, 而Ca3SiO5含量较多, 均可以生成一定量的Ca(OH)2与C-S-H凝胶, 小幅提高A80钢渣尾渣胶砂的早期（3~7 d）力学性能, 大幅提高A80钢渣尾渣胶砂的中、 后期（7 d~28 d）力学性能。 当水化时间3 d时, A80钢渣尾渣胶砂中存在少量水化产物且大量分散小颗粒; 当水化时间7 d时, A80钢渣尾渣胶砂中水化产物大幅增加且形成较大颗粒; 当水化时间28 d时, A80钢渣尾渣胶砂中形成大量水化产物且几乎不存在分散小颗粒。 从而进一步实现固体废弃物的资源化再利用, 达到钢铁企业增加效益, 环境缓解压力的目的。