磷石膏基储能材料制备的多相反应过程耦合和控制机制研究

Phosphogypsum is solid waste of phosphorus chemical industry, the annual emission is 50 million tons, and cumulative stacking weight more than 200 million tons. It impacts seriously on the ecological environment, wastes sulfur resource, restricts development of phosphorus chemical industry, and becomes an important technology key. A new process will be developed for the heat storage composite material, based on phosphogypsum as substrate, coupling organic - inorganic materials, with such characterics as both the heat storage of heating melt and heat release of cooling crystallization, in wide phase change temperature range, and constant temperature state, which is the effective way for realization of phosphogypsum utilization in mass, resources, and high added value. The basic study work includes: 1. The thermodynamics, kinetics and mechanism of coupling process are researched, for solid - solid, liquid - solid and liquid – liquid multiphase complex reaction systems between phosphogypsum and phase change materials with different characteristics. 2. The mechanism of crystal nucleation, growth process, and crystal structure of functional energy storage composite materials is investigated. 3. The mechanisms are studied on heat transfer, mass transfer and regulation of composite phase change energy storage materials. The item provides a theoretical basis for the utilization of phosphogypsum resources, and will promote the recycling economy and sustainable development of phosphorus chemical industry, with a good application prospect.

磷石膏是我国磷化工产业固废，年排放5000万吨及累积堆置2亿吨，严重影响生态环境，浪费稀缺硫资源，制约产业发展，成为行业亟待解决的重大关键技术问题。开发以预处理磷石膏为基体，与有机-无机材料耦合， 具有在加热熔融储热或冷却结晶释热2种相变宽温度平台范围内，维持自身温度不变状态下的潜热式蓄热复合功能材料的新型工艺，是实现磷石膏批量化、资源化、高值化利用的有效途径。基础研究包括：磷石膏脱水及硬化机理；磷石膏与不同特性材料间的固-固、液-固、液-液等多相复杂反应体系中，耦合作用过程热力学、动力学特征及机制；功能型储能复合材料晶体成核生长过程、晶体结构及空间分布相关影响因素及控制机制；复合材料相变储能功能的传热、传质机理及调节机制。本课题研究为磷石膏资源有效利用提供理论基础，将促进磷化工产业循环经济和可持续发展，有良好应用前景。

为确保我国农业发展，须保持相当规模的磷化工产业，然而该产业排放的磷石膏固体废物带来严重的生态环境问题。磷石膏与相变材料制备复合材料，是磷石膏综合利用的新途径。.为更好发挥基体负载作用需进行磷石膏改性，开展相变材料筛选和性能研究，以及两者耦合等技术研究。磷石膏基体与相变储能材料的相容、分散性，复合材料高强、低密度，材料传热、传质等理论研究。.磷石膏基体改性，包括：脱水动力学和反应机理研究，杂质对相变材料的影响等，磷石膏脱水后的半水石膏，水化后其孔隙率、比表面积等物理性质，仍难以满足负载要求。采用发泡剂的化学致孔法、升华剂的物理致孔法，添加多孔材料的外加多孔材料法等，进行致孔改性，提高其孔隙率、比表面积，从而强化其对相变材料吸附能力，增加容留量，并增大基体抗压强度。.相变材料的定形处理是避免固-液相变过程中发生渗出现象，在开展的乳液法、微球法、微胶囊法和常压吸附法4种方法中，微囊化是有效的手段。以无机物二水氯化钙，有机物石蜡、月桂酸等相变材料为芯材，选取不同壁（壳）材包覆，通过FT-IR、XRD、DSC、TG等表征，表明微胶囊具有良好储热能力和热稳定性。.改性磷石膏与相变材料耦合制备磷石膏基相变储能复合材料，开展储热和放热性能研究。当相变材料含量≤10%，无法观察熔融过程，但试样升（降）温速率低于无相变材料的磷石膏对比试样；相变材料含量>10 %，升（降）温曲线在一定温度下出现平台，为相变材料熔融过程，表明磷石膏基相变储能复合材料具有明显的延缓升（降）温速率的作用。.采用无机相变储能材料对环境影响较小，适于农业种植、土壤修复、沙漠治理等领域；采用有机相变储能材料用于建筑工程、筑路材料，尤其是永久冻土区“冻涨”危害，提高工程生命周期，解决高寒酷热地区建筑节能和道路受气候影响等问题。.项目解决磷石膏固废带来的环境问题，确保磷化工产业可持续发展，也为磷石膏综合利用开辟了广阔应用前景的新途径。