粉体工程及其应用

粉体工程及其应用

11级粉体（2）班 张子龙

粉体技术的概述

粉体技术是一门以颗粒状固体物质为对象，研究其性质、制备、加工和应用

的综合性技术，主要包括破碎、粉磨、均化、分级、干燥、收捕、混合、存储、

装运以及某些粉体产品的改性造粒等工序，各工序间还有输送、计量作业。

粉体技术已经发展到超微粉体技术和纳米粉体技术。超微粉体技术是传统粉

体技术的进一步发展，它是近几十年来新兴的一门科学技术，它源自古老的传统

粉碎技术，而将其粉碎的概念向前大大延伸了。所谓“超微粉体”，国内外目前

对这一名词尚无严格的界定。从粉体学的角度，通常将1250 目（即 10 u m ）

以下的粉体，称之为“超微粉体”。采用传统的工艺方法，很难将固形物料粉碎

到如此的细度。 固形物质经过超微粉碎后，使其处于微米甚至纳米尺寸时，

该粉体的物理、化学特性都发生极大的变化。 在化工、塑料、油漆、涂料

等行业中，“超微粉体”可制成高强度、高附着力的高档新产品。特别是在中医

药领域，“超微粉体”技术可改变传统的中医手段，中药材经“超微粉碎”细化

后，可直接用于口服，从而免除了饮片、煎煮等繁锁的工艺，这样就大大方便了

病人用药。不仅如此，经研究表明，经“超微细化”后的中药，只相当于原方剂

用药量的十分之一，甚至更少，这就可以大大节省宝贵的中药材资源，对提高全

民族健康，有效保护环境，都有深远的意义。

国外对粉体技术非常重视，许多国家先后建立乐粉体研究机构。如，英国里

兹大学粉体工程研究所（选矿、环保，从矿物加工、电子材料）和美国马州高分

子材料研究所（研究范围涵盖了从普通塑料到纳米复合材料，从宏观机械加工，

到微结构控制）。我国对粉体技术也非常重视，先后建立乐粉体研究机构，如北

京海正粉体技术有限公司、丹东蓝天粉体材料科技有限公司、清华大学粉体材料

研究室、江苏省超细粉体工程研究中心等。 “超微粉体技术”是一门跨行

业的新兴技术领域，在我国从八、九十年代开始才逐步被越来越多研究部门和行

业所重视。随着信息、生物和新材料的发展，粉体技术相应的向更深更广的方面

发展，当前粉体技术不仅仅是简单的粉碎、分级的物理过程，而是建立在高新技

术平台上的并且与材料科学、化学、现代物理学、生物学、医学等学科有密切联

系的交叉学科。 粉体技术主要以固体物料的加工处理对象,随着世界粉体

工业向精细化发展，固体原料深加工技术在科学研究和工业生产中显示了重要的

作用。当前粉体技术不仅在纺织、建材、中药、食品、保健品、饲料、国防等领

域的应用日益广泛，而且在清洁生产和循环经济中也具有独特的优势。

粉体工程在环保中的应用

目前，粉体技术在环境工程中的应用包括气固分离、固液分离、颗粒制备与

处理等诸多方面，涉及到的具体课题则包括含尘气体的净化、气态污染物的净化、

污泥污水的处理、各种工业废渣的处理等。现在我们环境工程系借助粉体技术开

展的环保课题有：各种除尘器的研制、废旧橡胶轮胎的处理、废旧印刷线路板的

处理、各种粉尘颗粒的发生、纳米材料、气体的净化和污水的处理等方面。新的

粉体技术应用于环境工程中必将带来巨大的经济效益和社会效益，例如垃圾(包

括工业废渣和生活垃圾等等)的处理问题，在粉体技术的研究中。对材料的粉碎、

分级、造粒等都已经有了较为成熟的技术和工艺，将这些技术和工艺应用于环境

方面，不仅变废为宝、为二次资源的综合利用打下了良好的基础，将会给企业带

来巨大的经济效益，而且又起到美化环境、净化大气的良好作用，由此而产生了

巨大的社会效益。现在比较热门的纳米技术参与到环境保护中米可以导致产品微

型化，从而使所需资源减少，达到资源利用的持续化，以实现资源消耗率的“零

增长”；同时用纳米技术还可制成非常好的催化剂，其催化效率极高，用于汽车

尾气催化净化可使汽油燃烧时不再产生一氧化碳和氮氧化物，使尾气排放无害

化。新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力，可将污水中的悬浮物和铁锈、异

昧等污染物除去，达到污水处理纯净化。利用纳米技术开发的润滑剂，既能在物

体表面形成半永久性的固态膜，产生极好的润滑作用得以大大降低机器设备运转

时的噪声，又能延长机器的使用寿命，达到噪声控制的有效化。 下面我就为大

家介绍几种常见的应用： 一、 纳米粉体 高性能的纳米粉体材料具有其多种

奇特和优良的功能特性，在国外最先应用于军事领域，随后逐渐向民用领域发展，

在军事、能源、化学化工、敏感材料、光电、环保食品和生物医药等国民经济的

各个领域有着十分广阔的应用前景，在人们的日用生活制品领域可涉及衣、食、

住、行的各个方面，可显著地改善人们的生活环境、身体健康和生活质量。同时

纳米粉体在水污染和空气污染上也有广泛应用，这是一种新型的资源。纳米材料

是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响

的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最先得到应用的重要组成部分。纳米材

料制品作为一种高科技产品，其优良的性能在国民经济的各个领域都有广泛的应

用，具有广阔的应用前景。正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微

小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。随着技术和社会的不断进步，代

表2 1世纪先进科技的纳米技术和产业必将健康发展，具有无比广阔的前景。 二、

食品加工的超微粉碎 超微粉碎，是指利用机械或流体动力的方法克服固体内部

凝聚力使之破碎，从而将3毫米以上的物料颗粒粉碎至10-25微米的操作技术。

是20世纪70年代以后，为适应现代高新技术的发展而产生的一种物料加工高新

技术。 超微细粉末是超微粉碎的最终产品，具有一般颗粒所没有的特殊理化性

质，如良好的溶解性、分散性、吸附性、化学反应活性等。因此超微细粉末已广

泛应用于食品、化工、医药、化妆品农药、染料、涂料、电子及航空航天等许多

领域上。 超微粉碎的特点：速度快可低温粉碎粒径细且分布均匀节省原料，提

高利用率，减少污染，可见粉体工程在食品加工方面的环境保护。 三、 无机粉

体 无机粉体填充改性塑料 无机粉体填充改性塑料在我国已有20多年的历

史。最初主要以降低成本为目的。随着无机粉材料品种的增加，由n-r_技术的

进步，粉体粒径的超细化新的活化处理剂不断出现，表面活化处理技术和填充改

性理论的发展，无机粉体填充改性塑料何藩 正由原来单纯追求降低成本，已发展成开

发新的功能性材料的重要手段。 从环境保护考虑将无机粉体改性塑料作为环境

友好材料，希望无机粉体填充量越多越好。但无机粉体填充量过多会使材料的功

能性、力学性能和使用性能明显下降，如何解决好这一矛盾问题既关系到这种环

境友好材料更关系到无机粉体填充改性塑料今后能否持续健康发展的大问题。众

所周知，生产无机粉体填充改性塑料，除少数粉状树脂如PVC是将无机粉体直接

与树脂混合使用外，绝大多数是通过填充母粒的方式。也就是说先将无机粉体在

各种助剂的作用下与少量载体树脂先制成填充母粒，再根据制品性能要求，将母

粒与基体树脂 按一定比例混合后加工成各种塑料制品。所以决定制品的功能性

和环保性能关键在于填充母粒的性能。本文想就这个问题谈几点意见： a、无

机粉体的选择 可用于塑料填充改性的无机粉体种类很多，常见的有：重质碳酸

钙、轻质碳酸钙、滑 石粉、高岭土、硅灰石粉、云母粉、氢氧化铝和氢氧化镁

粉等，品种不同，功能也不同。与含卤有机阻燃剂配合使用，具有协同作用，可

以提高制品的阻燃效果；云母粉呈片状晶形。径厚比大，除具有补强作用外，还

可提高塑料的刚性、耐热性和尺寸稳定性，云母粉的透光率比其它任何无机粉体

都好，并有阻隔红外线功能，被广泛用于大棚膜中。如果从减量化、资源化、有

利于环保和降低成本考虑，在众多无机粉体中当属于重质碳酸钙，其白度高、资

源丰富脖子长 、易加工、价格低；其次是轻质碳酸钙。这两种碳酸钙在填充改性塑料中

用量最大，所涉及的塑料制品也最多。作为填充改性塑料用无机粉体在质量要求

上除纯度外，很重要的一项技术指标是粒径和粒径分布。粒径大小，工业习惯用

目数表示。从理论上来说无机粉体的粒径越小，填充到树脂中制得材料的力学性

越好，但实际情况并非如此。粉体的粒径越小，比表面积越大，粒子的内聚能越

高，越容易团聚，填充到塑料中不易分散，相反会使材料的力学性能下降。

b、粉体表面活化处理剂与处理技术 无机粉体粒子为极性，而树脂为非极性，

二者难以相容。要想使无机粒子均匀地分布到树脂中，并能与树脂的分子链产生

较强的亲合力，必须对无机粒子表面进行活化处理。目前所用活化剂有表面活性

剂，如硬脂酸：偶联剂，如硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、酸式亚

磷酸酯偶联剂、稀土偶联剂和铝／钛复合偶联剂等；高分子处理剂如聚烯烃马来

酸酐接枝共聚物等。该技术的特点是：在使无机粉体与树脂之间形成较强结合力

的同时，由于所用的二次包膜活化剂的结构特征，可以在无机粒子表面形成一层

弹性膜，当复合材料受到外力冲击时，由于弹性膜的缓冲作用，可使应力得以分

散。所以采用该技术处理无机粉体所制得的复合材料具有显著的补强增韧功能。

无机粉体填充改性塑料在我国塑料工业的发展中发挥了十分重要的作用，尤其对

石 油资源贫乏的我国来说，今后将会发挥更大作用。正由于如此，业内人士和

社会各阶层也就更要正确对待和评价无机粉体填充改性塑料。无机粉体毕竟不是

高分子材料，与树脂相比是资源丰富的廉价原料，对填充改性塑料不能以纯塑料

的标准去要求它，尽管在某些性能方面它可能比纯塑料好，但必须以牺牲其它性

能为代价。降低成本，节约石油资源有利于环境保护是无机粉体填充改性塑料的

最大优势，但它的综合性能肯定不如纯塑料好，只有正确认识这一点，才能使无

机粉体填充改性塑料沿着正确方向健康快速发展。 2、无机粉体环保纸 一种常

见的就是无机粉体环保纸无机粉体环保合成纸是以丰富的矿产资源碳酸钙为主

要原料，高分子塑料和其他助剂为基材，经混合、塑炼、成膜、涂布等工艺加工

成型，生产出一种可逆性循环利用的新型纸种。该新型纸种跳出了传统造纸用木

质纤维为主要原料生产纸材的制造方法，是传统造纸的一种思维变革、技术变革

和产业变革。新型纸种与传统造纸对比，其不消耗木材资源，有利于ipad无法开机 生态保护；

无废气、废水、废渣排放；产品耐折、耐撕、防水、防霉、防虫蛀、易于印刷，

具有卓越的综合性能；产品主要原料为石灰石加工后的重质碳酸钙或者轻质碳酸

钙，我国是石灰岩矿储量大国，原料资源丰富。 无机粉体环保纸比普通包装塑

料抗拉强度大，且无毒、可降解、成本低、开发成环保纸袋产品，可全面替代现

有塑料包装袋，并可以从根本上解决塑料包装袋白色污染的问题。目前，世界上

生产包装塑料袋的产量1亿吨，我国消耗量约600万吨。无机粉体环保合成纸以

其低廉的价格低于传统纸张15-30%，对现有办公文化纸将形成强有力的竞争优

势，部分替代现有办公文化用纸。目前，我国办公文化用纸量已突破440万吨。

产品印刷用纸部分替代现有办公用纸市场前景看好。 四、 二氧化钛光催化

随着工业社会的发展和人口的增加，人类本己有限的水资源受到日益严重的污

染，水污染成为当今社会的严重问题。而近年来逐渐发展起来的光催化氧化技术

为治理水源的有机物污染提供了一条新的途径。纳米Ti02是目前应用最为广泛

的一目标消费者 种光催化剂，具有着以下优点：对光的吸收率较高；化学稳定性良好；氧化

还原能力强，有较高的光催化活性；对很多有机污染物有较强的吸附作用；造价

低廉，无毒无害。 二氧化钛(Ti02)，俗称钛白，具有无毒、最佳的不透明性、

最佳白度和光亮度，被认为是目前世界上性能最好的一种白色颜料，广泛应用于

涂料、塑料、造纸、印刷油墨、化纤、橡胶、化妆品等工业。纳米Ti02是目前

应用最为广泛的一种纳米材料，其具有的透明性、紫外线吸收性以及熔点低、磁

性强、热导性能等特征，使其在化妆品、塑料、涂料、豆角焖面的家常做法 精细陶瓷及催化剂等众多

领域都有重要的应用。光催化氧化的机理主要是自由基反应，而体系产生的活性

中间体H202则是形成自由基的重要引发剂。在紫外光结合氧化剂对有机污染物

进行氧化降解的过程中，在多数情况下主要是利用了羟基自由基的产生及其一系

列的反应。在超微细Ti02、水和空气的体系中，把分散在溶液中的每一颗Ti02

半导体微粒近似地看成是一个小型的短路的光电化学电池，当用能量大于能带隙

的光，尤其是紫外线的光照射时，Ti02超微粒子吸收光而自行分解出自由移动

的带负电的电子(e．)和带正电的空穴(h+)，形成电子一空穴对，吸附溶解在Ti02

表面的氧俘获电子形成02，而空穴则将吸附在Ti02表面的OH_和H20氧化

成OH。新生成的这两种自由基具有很强的化学活性，特别是原子氧能与多数有

机物发生氧化反应，因而能有效分解水中多种有机物质，使水中的有机污染物彻

底氧化降解为C02和H20：同时还可以氧化细菌内的有机物，从而杀死细菌；还

能氧化有毒的无机物，使之在短时期内失去毒性。 研究发现，纳米Ti02光催

化剂催化活性的高低取决于纳米粒子的粒径和晶型。纳米Ti02主要有3种晶型：

板钛矿、金红石和锐钛矿三种晶型。研究表明，板钛矿型Ti02无光催化活性，

金红石型Ti02仅有微弱的光催化活性，锐钛矿型Ti02的光催化活性最耐71。

然而，粉末状纳米Ti02催化剂在使用过程中存在着易失活、易凝聚和难回收等

弱点，人们尝试将Ti02粉末固定在某一载体上，制备了负载型的Ti02光催化剂。

目前，光催化剂载体主要有两大类：无机载体和有机载体。无机载体主要是以含

硅物质为基质，具有极好的耐热性能和化学稳定性，在烧结过程中基质与催化剂

颗粒间会产生较强的粘结力。在有机材料上固载Ti02存在着一定的困难，因为

大多数有机质本身不耐光催化剂的强氧化反应。 至今，已发现有3000多种难

降解的有机化合物可以在紫外线的照射下被Ti02降解。特别是当水中有机污染

物用其他方法很难降解时，这种技术有着明显的优势。 1、处理受染料工业污

染的源水：受染料业污染的水中含有苯环、胺基、偶氮基等致癌物质，常规方法

处理水溶性染料的降解效率通常很低。研究发现，用Ti02／Sich体素能够很迅

速地降解R．6G染料，而且可以破坏染料分子中的芳香基团，达到完全降解的目

的。另有报道称，对于电镀、制革和印染行业废水中的常见污染组分Cr(VI)，

采用P25 Ti02作为光催化剂，在苯酚、葡萄糖等有机物存在的情况下，能狗狗肛门腺 有效

地促进其光催化还原，达到C“VD完全被去除的效果。为便于工业应用，把表面

涂覆有纳米Ti02膜的玻璃填料充于玻璃反应器内，通过潜水泵使微污染水在反

应器内循环进行光催化氧化处理。由于纳米Ti02具有巨大的比表面积，与水中

有机物接触更为充分，可将它们最大限度地吸附在其表面，迅速将有机物分解为

C02和H20，处理效果优于生物处理和悬浮光催化氧化处理，COD除去率和脱色

率均较高。催化剂再生后能连续使用对二氧化钛对三苯基甲烷等染料的光催化降

解研究发现除二氧化钛的晶型外，pH值、催化剂浓度及有无氧化剂的存在等因

素对降解速率都有一定的影响的研究表明，有Ti02涂层的碳粉对亚甲兰在紫外

光下有较高的光催化降解活性，而表面有碳涂层的Ti02 则是很好的重油吸附

剂，碳涂层吸附的重油在紫外光作用下被Ti02光催化降解，碳涂层本身也有催

化降解作用，而且它能够使Ti02在高温下保持高活性的锐钛矿晶型H81。方世

杰、徐明霞和黄卫友等制备了10I吼左右的Ti02颗粒并把它制备为玻璃衬底薄

膜进行紫外光光催化降解甲基橙的研究，发现催化剂用量、甲基橙初始量、pH

值、光强度等对甲基橙脱色率都有影响。 2、处理受农药污染的源水：目前对

有机磷农药污染水处理多用生化法，处理后废水中有机磷质量浓度仍较高。 3、

处理含氯代有机物的源水：日本东京大学野口真用纳米Ti02光催化剂与臭氧联

合进行水的净化处理。在模拟水处理实验中，以质量浓度为16m∥L的三氯酚的

水溶液，分别采用纳米Ti02光催化剂与臭氧联合，单独用光催化剂纳米Ti02

和单独用三种方法对其进行处理。纳米Ti02光催化剂与臭氧联合处理2h后，三

氯酚的残留质量浓度已为零，效果相当明显。用内表面涂覆纳米Ti02光催化剂

的陶瓷圆管处理质量浓度为5．5m∥L苯酚和三氯乙烯水溶液的实验表明，苯酚

在1．5h后完全分解，三氯乙烯也在2h内完全分解。 4、处理含表面活性剂的

源水：生活污水中含有表面活性剂，易产生异味和泡沫。 非离子型和阳离子型

表面活性剂会产生有毒或者不溶解的中间体。采用纳米Ti02光催化分解表面活

性剂已取得较好效果。虽然表面活性剂中的链烷烃部分采用光催化降解反应还较

难完全氧化成C02，但由于苯环被破坏，其毒性大为降低，生成长链烷烃副产物

对环境的危害明显减小。 5、处理受污染的地下水源：工农业排放废水渗入地

下水中的有机物含量增加，这些有机物易与水处理过程中的氯反应生成致癌性的

三卤化物(THM)。据报道，Ti02膜能脱除水中97％的有机卤素化合物，总有机碳

(TOC)含量可降低90％以上，并能减少盐分、硬度、重金 属和其他污染物，降

低颜色深度，脱除大量的可溶性有机物质，减少形成THM的前体物。 6、处理含

油污染的源水：对于不溶于且漂浮于水面上的油类污染物的处理，也是近年来人

们很关注的一个课题。含油废水中所含的脂肪烃、多环芳烃、有机酸类、酚类等

有机物很难降解，使用纳米Ti02利用其光催化解功能，可迅速降解这些有机物。

但由于Ti02的密度远大于水，Ti02颗粒将沉于水底，起不到光催化剂的作用。

由此可见二氧化钛粉体在环抱中的应用相当广泛且起着重要的作用。

我国粉体工业发展的现状

非金属矿物精细粉体和功能性非金属矿物材料是伴随现代科技革命、产业发

展、社会进步、人类生活质量的提高和环保意识的普遍觉悟而发展起来的。我国

在该领域的大规模生产和工业应用是从20世纪70年代末或80年代初开始的。

经过近20年的发展，尤其是20世纪90年代以来的发展，我国非金属矿加工业

已形成相当的规模。在普通或大众产品方面不仅能基本满足国内市场所需，而且

还能大量出口，在国际非金属矿产品粉体市场占有较重要的地位。

非金属矿物粉体加工技术的发展

非金属矿物粉体在现代高技术新材料中的广泛应用是以其特有的功能为前

提的。因此功能化是非金属矿物粉体的发展方向和粉体加工技术追求的目标。

自改革开放以来，我国的非金属工业虽然取得了很大发展，加工技术也有了很大

进步，但仍然面临很多挑战。我国非金属矿深加工产业虽然有了较大的发展，但

有些所谓的深加工产品却找不到市场，企业经营很困难，我们每年向国外出口大

量的非金属矿产品，有些矿种的出口量居世界第一，但国内相关企业却还须进口

深加工产品，有些深加工产品甚至是用我国出口的原料或初加工产品加工后回销

的。除了我国企业经济实力、市场营销以及技术开发能力不强等之外，其中一个

很重要的原因是我国非金属矿行业往往较多注意资源的开发而忽视产品功能的

开发和提升。我们一些企业在开发资源和上项目时，往往不注意认真研究市场、

如何从产品功能上满足市场要求、适应相关产业发展的需要，如何通过应用研究

挖掘和提升产品的功能和应用性能，如何在加工过程中注意保护生态环境。现代

高技术和新材料的发展是对更高的科技含量、较低的环境负荷和更适应社会发展

的需要为前提的，非金属矿物粉体和材料也不例外。只有功能明确或突出，能满

足相关应用领域技术进步和产业发展要求和环保要求的非金属矿物粉体或深加

工产品才可能赢得稳定的市场。因此，未来非金属矿物粉体材料的发展趋势将是

交叉、融台矿物学、粉体加工、材料学以及相关应用领域不同学科，合作研究、

不断发掘和提升非金属矿物粉体产品的功能和应用性能，促进相关应用领域的技

术进步和产业发展。 我们相信：不断完善、充实的粉体技术应用到环境工程学

科中来，必将推动环境工程的发展；反过来又为粉体技术的发展应用奠定坚实的

基础，也必将拓宽粉体技术的应用领域。同时被称之为2l世纪前沿科学的纳米

技术将对环境保护产生深远的影响，有着广泛的应用前景，甚至会改变人们的传

统环保观念，利用纳米技术解决污染问题将成为未来环境保护发展的必然趋势。