“纳米材料与纳米技术”课程改革创新设计

党的二十大提出深入实施科教兴国战略,内蒙古工业大学确立建设国内知名、民族地区一流的教学研究型大学发展目标,这些都对人才的培养提出了更高的要求。“纳米材料与纳米技术”课程肩负着无机非金属材料工程科研实践创新人才培养的使命。针对“科研思维薄弱、科研能力欠缺,学习能力差异性”等问题,团队依托成员研究室及企业实践基地,秉承“见纳知著、学纳储能、思纳助力”的教学理念,重构教学内容,创设导师制分层培养教学情境模式,构建生态教学环境,弘扬中国优秀学者严谨治学的态度,传承工匠精神,培养新工科背景下国家及地区所需的科技创新实践人才,以期实现以创新结果解决教学痛点,培养高质量创新人才的目标。

褐煤显微组分及碱处理对其结构和燃烧性能的影响

抑制褐煤的自燃对于安全运输和高效利用褐煤具有重要意义。以胜利褐煤为研究对象,利用光学显微镜分选出惰质组和腐植组2种显微组分,并对其进行NaOH处理,以研究不同显微组分及NaOH处理对褐煤结构与燃烧反应性能的影响。通过SEM-EDS、XPS、FT-IR、XRD、Raman等手段对所制备煤样的结构进行表征,分析其主要官能团的变化差异,并利用热重分析仪考察NaOH处理对不同显微组分褐煤燃烧反应性能的影响。研究结果表明,腐植组褐煤的起燃点温度较惰质组提前约10℃,但惰质组褐煤的综合燃烧特性指数略高于腐植组。经NaOH处理后,不同显微组分的褐煤均出现燃烧滞后现象,分别在200~500、650~800℃有2段明显的失重,且质量损失主要集中在第2个失重区间,腐植组褐煤表现更显著,其最大燃烧反应速率对应的温度较惰质组滞后约60℃。对煤样燃烧过程进行动力学分析,表明不同显微组分褐煤经NaOH处理后燃烧反应活化能明显增加,且腐植组褐煤高于惰质组。XPS/FTIR分析结果表明,不同显微组分褐煤在NaOH处理后羧基含氧官能团含量均减少,主要是因为在NaOH处理过程中Na+与褐煤中的羧基含氧官能团作用形成羧酸钠结构,且腐植组褐煤中形成的羧酸钠结构含量较惰质组多,认为对不同显微组分褐煤燃烧的抑制作用主要归因于羧酸钠结构的较高稳定性,且与Na结合形成羧酸钠结构的数量是2者燃烧反应性能差异的主要原因。XRD/Raman分析结果表明,褐煤中羧酸钠结构的生成使煤样碳微晶结构有序度增加,其中腐植组褐煤的有序度高于惰质组。

正交激发发射上转换纳米材料的设计、制备与应用

稀土掺杂的上转换发光纳米材料在信息安全、生物医学、光纤通信、显示和能源等众多领域有着巨大的应用潜力,受到了相关各领域研究人员的广泛关注。特别是近年来发展起来的具有正交激发发射特性的上转换发光纳米颗粒,其可在不同的激发条件下产生动态变化的光色输出,因而具备一系列新的特性与功能,大大地扩展了应用范围。本文综述稀土离子正交上转换发光的发展历程,系统论述了基于核壳结构的正交激发发射体系的设计原理和构建方法,介绍了其在信息存储、安全防伪、显示、传感、生物成像及治疗等领域的最新研究进展,并探讨了未来相关研究中可能面临的机遇和挑战。

基于-1H-NMR的胜利褐煤原位低温干燥过程中弛豫时间及孔结构变化

传统煤水分测定对煤样有破坏,同时BET法在煤孔结构测试中也遇到许多困难。利用1H-NMR研究褐煤低温干燥过程中水分赋存状态及孔结构变化,包括原位干燥过程中褐煤水分横向弛豫时间T2的动态发展及孔结构变化规律。结果表明:空气自然干燥状态下,胜利褐煤中不冻水和束缚水占绝大多数,其中束缚水结合力较弱。在50℃前,部分束缚水较易脱附;干燥后冷却样品中残余水的束缚性随处理温度的升高而增加;105℃干燥脱水后,微孔增加,中孔比例减少,大孔或裂隙增加,残余水分保留在10 nm以下孔隙中,为不冻水;此时含水孔隙仅占全部孔隙的19%,远小于原煤(58%)。1H-NMR可以在无损伤情况下连续监测煤中水分、孔结构的分布变化,更适用于煤水分及孔结构的测定。

胜利褐煤半焦显微结构及其燃烧反应性能

利用固定床反应装置对胜利褐煤在650℃进行热解,所得半焦在光学显微镜下分选出惰质组占73.40%的丝质相和腐殖组占98.67%的木质相两种显微结构相组分。利用热分析考察了两种显微结构的燃烧反应性能,分析了燃烧特征参数如起燃指数、燃烬指数等,并回归得到其动力学。研究表明,丝质相为多孔状,木质相为致密状,前者比表面积约为后者的21倍;丝质相的燃烧反应性显著高于木质相;均相和缩芯模型对两类煤焦燃烧反应过程都能进行准确描述,丝质相在起燃阶段的活化能显著低于木质相,是丝质相燃烧反应性高的内在原因。

高铝煤矸石制备超细氧化铝和硅酸钠联产工艺

利用盐酸酸浸法从煤矸石中浸取氧化铝,考察了固液比、反应温度、盐酸浓度、反应时间、煤矸石活化时间及活化温度等因素对氧化铝浸取率的影响,通过正交试验确定了最佳的工艺条件,使氧化铝浸取率达到84%左右;研究不同分散剂对氧化铝颗粒硬团聚的抑制作用,利用SEM、XRD对原料及制备的氧化铝进行了表征,表明制备出了高纯度、高分散性的超细氧化铝;同时还研究了氢氧化钠浓度对联产工业液体硅酸钠模数的影响。

褐煤中矿物质对水泥熟料烧成过程的影响

以单位熟料热耗及煤样热值为基准,在水泥生料中分别添加褐煤及烟煤,并在1250℃、1350℃、1450℃下煅烧,模拟水泥烧成的部分过程,分析熟料煅烧过程中褐煤中矿物质成分的不同与硅酸盐矿物产生过程差异的内在联系。结果表明,水泥熟料煅烧过程中,煤炭中非钙硅物质带入量是影响液相初始生成的主要原因,但最终熟料的矿物组成由熟料的率值控制,SM和IM较大时,矿物粘结现象和熔蚀现象比较严重;褐煤添加试样符合上述结论,得到了合理的矿物组成,其中提质褐煤由于其热值高,相同条件下带入非钙硅物质最少,1250℃液相生成较差,同时受KH及SM较高影响,最终水泥矿物发育较差。

废弃混凝土对水泥熟料煅烧过程矿物形成的影响

以废弃混凝土、石灰石、砂岩、铁矿石、煤粉为原料,采用普通煅烧工艺烧制了不同煅烧温度下的水泥熟料,利用XRD、SEM等表征手段考察了不同目数的混凝土对水泥煅烧过程中熟料主要矿物形成的影响,并将煅烧生成的水泥熟料与标准熟料进行了对比分析。结果表明,在不同煅烧温度下烧成的水泥熟料中主要矿物的XRD特征峰明显,矿物形成正常,并与对比试样水泥熟料的矿物化学成分相近。不同目数混凝土代替部分生料烧制的水泥熟料组成及形貌的变化有明显的区别,60～80目烧制的水泥熟料因Al、Fe和Si元素含量较高而出现主要矿物黏结和熔蚀现象,阻碍C3S的形成,水泥矿物发育较差,而大于120目烧制的水泥熟料矿物发育良好,主要矿物黏结和熔蚀较少,但f-CaO量高于标准熟料。

胜利褐煤提质过程中水分的迁移及其干燥动力学研究

利用低场核磁共振研究褐煤在不同温度下脱水的横向弛豫时间特征及赋存状态演变。结果表明:煤样中水分主要存在于微孔结构中,随着脱水温度的升高,留在样品中水的弛豫时间逐渐缩短,微孔水含量降低。此外,利用热重分析褐煤在连续升温条件下质量的变化,采用FWO法求解活化能。实验结果表明,随着温度的升高,活性能E先逐渐减小而后逐渐增大,当脱水率为60%时活化能E最小(51.79kJ/mol)。实验数据为褐煤干燥工艺和干燥转换点的确定提供了参考。

基于沙盘模拟的情境教学系统构建和应用

以沙盘为载体,以培养卓越工程师为目标,利用情境教学法模拟企业的生产运作,给学生提供一个仿真的空间,其中模拟设置政府、银行、市场、企业等,针对工科设置选址、设计、建厂、调试、员工招聘、企业原燃料采购、生产、故障处理、产品销售等企业经营全过程,该系统由盘面、操作软件、教师分析软件构成;系统有助于分析推理能力和综合集成能力的培养,拓宽了工科学生的知识面和视野。在非金属专业学生中的应用效果良好。

沉淀反应温度对铜锰复合氧化物结构和催化性能的影响

采用共沉淀法制备铜锰复合氧化物,运用XRD、TPR、BET和常压微反评价装置对所合成样品进行了物相结构和催化性能的研究。XRD分析表明,沉淀反应温度在25~90℃时所合成铜锰复合氧化物前驱体均由Cu2＋1O/Mn3O4组成,但随着温度的升高,其晶体组成Cu2＋1O/Mn3O4比逐渐提高,晶粒逐渐减小,这些前驱体经550℃焙烧后均转化为Cu1.5Mn1.5O4,且晶粒大小基本相同。TPR分析结果表明,所制备催化剂为单一组成的铜锰复合氧化物,当沉淀反应温度〈45℃时,随沉淀反应温度提高样品的还原温度升高,当沉淀反应温度从45℃提高到65℃,还原温度变化不大,只略有下降;而当沉淀反应温度〉65℃时,还原温度继续升高。BET结果表明,虽然室温下（25℃）所制催化剂前驱体的比表面积较大,但焙烧后却大幅度下降,反而小于45℃以上样品的比表面积;而当沉淀温度在45℃以上时,焙烧前后样品的比表面积相差不大,样品的比表面积均在36.5-39 m2/g,说明当沉淀温度提高到45℃以上时,焙烧后样品的比表面积与沉淀温度关系不大。沉淀温度45℃是Cu-Mn沉淀物织构发生明显变化的拐点,在此温度下,沉淀反应体系的反应、传递及沉淀物的转化达到最佳匹配,有利于变换反应活性中心和耐热性微、介观结构的形成。

内蒙古产业结构分析——投入产出分析研究

本文利用投入产出分析方法从量化的角度分析内蒙古产业结构,通过产业的感应度系数、影响力系数、来分析内蒙古经济的结构比例、各产业间相互依存的程度、各产业的发展顺序以及产业的波及效果问题。

基于1 H-NMR实验数据的三次样条插值函数模型对热解褐煤孔隙演化的研究

孔是影响褐煤物理性质的重要因素,为了探究褐煤在不同热解温度下的孔径分布,本工作首先利用低场核磁技术(1H-NMR)获得了不同温度下热处理褐煤孔径分布的离散数据;然后基于这些离散数据构建了三次样条插值函数模型,通过构建的函数模型得到不同于离散数据的新的孔径分布数据;最后将由函数模型得到的新的孔径分布数据与实验数据对比,分析了函数模型的精度,重点考察了温度阈值范围,并从物理化学角度分析了孔径分布变化的原因。结果表明:随着实验温度的升高,胜利褐煤的孔结构在低于200℃时主要以小孔(10~100 nm)和大孔(100~1000 nm)的形式存在;200~500℃微孔(<10 nm)和裂隙(>1000 nm)居多;在715~950℃时产生更多的裂隙,总体向大孔和裂隙方向移动。函数模型在1H-NMR数据基础上能较准确地预测孔径分布及温度阈值,在预测热解褐煤总体孔径分布时,与实验数据相比,当温度低于550℃时,预测值的均方根误差(RMSE)偏小,当温度高于550℃时预测值的RMSE偏大。预测不同尺寸孔分布占比时,微孔的占比误差值仅在3.09%以内,小孔的占比误差为0.85%~22.12%,大孔的占比误差值为0.18%~7.95%,而裂隙的占比误差在4.43%以内,精度较高。通过函数模型预测得到,在200~300℃内热处理褐煤孔径分布变化趋势的温度阈值为250℃,这与实验结果的拟合度较高;在500~950℃内孔径分布变化趋势的温度阈值为715℃,这与实验得到的温度阈值700℃有偏差,是由函数模型在预测700℃下热处理褐煤总体孔径分布时的RMSE较大所致。预测结果说明了三次样条插值函数模型对不同温度热解褐煤煤样的孔径分布具有较好的预测精度。

新型混凝土减水剂复配工艺研究与应用

针对萘系减水剂(N)和氨基磺酸盐减水剂(A)的优缺点,采用复配工艺将两者进行复合。研究了萘系减水剂减水剂和氨基磺酸盐减水剂在不同复配比条件下的净浆流动度、流动度损失、混凝土坍落度和坍落度损失的变化,获得了最佳工艺参数。实验室及中试试验结果表明:将萘系减水剂和氨基磺酸盐减水剂按该工艺进行复配,可克服萘系减水剂保坍性不好和氨基磺酸盐减水剂易泌水的缺点。

无机非金属材料工程专业综合实训课程教学创新改革——基于“以训明理 以训赋能 以训育人”教学理念

《中国制造2025》提出建设制造业强国,创新是关键,人才是根本。综合实训课程肩负着无机非金属材料工程实践创新人才培养的使命。针对实训教学中学生存在的“专业情怀、使命、担当意识不强,专业理论转化成综合实践创新能力不足,专业思维能力不能迅速适应岗位要求”等问题,团队依托该地区瓷艺非物质文化遗产,秉承“以训明理、以训赋能、以训育人——三训铸器”教学理念,创建“任务驱动-自主探究-高阶挑战”教学模式,构建“共情-内化-重塑-践行”思政育人体系,创设产学研融合教学情境,旨在打造“五步六融合”实训课堂,弘扬中国优秀传统文化、传承工匠精神、培养新工科背景下中国制造实践创新人才。创新成果为工科同类课程提供教学范式,在兄弟院校同类专业中发挥示范引领作用,并得到产业界一致好评。

水泥制成输送系统的技术改造

内蒙古呼和浩特水泥厂的2条Φ3.8×13m闭路水泥粉磨系统,单台设计生产能力为70～75t/h,成品水泥输送系统采用的是DB仓式气力输送泵,其技术参数为：输送水平距离300m、输送垂直高度30m、压缩空气需要量40m3/min、气源压力0.6MPa、设计输送量120t/h,输送管径Φ219mm;

胜利褐煤水蒸气气化制富氢合成气及其固有矿物质的催化作用

利用微型固定床反应装置,研究了内蒙古胜利褐煤水蒸气气化过程中H2、CO2、CO和CH4生成规律及其固有矿物质的催化效应。原煤(SL-raw)、盐酸洗脱(SL-HCl)、氢氟酸洗脱(SL-HF)及盐酸洗脱液回添煤样(SL-HCl-Re)在水蒸气气化反应过程中,H2、CO2和CO生成速率存在明显差异,充分说明胜利褐煤中某些固有的矿物质对其水蒸气气化反应具有显著的催化作用,可大幅度提高其气化反应速率,并使其起始气化温度降低96℃,气化反应主体温度降低150℃以上,同时促进了合成气中H2生成,抑制了CO的生成,使胜利褐煤水蒸气气化反应过程中一直维持着较高的H2/CO摩尔比,SL-raw、SL-HCl-Re水蒸气气化所得合成气中H2/CO摩尔比分别为17.3和4.3,而SL-HCl和SL-HF水蒸气气化所得合成气中H2/CO摩尔比均只有1.22。SL-HCl和SL-HF水蒸气气化生成H2、CO2和CO的规律基本相同,说明起催化作用的物质是可溶解在盐酸洗脱液中的矿物质。经过分析,发现矿物质对胜利褐煤水蒸气气化反应的催化作用主要是通过提高水煤气变换反应(WGSR)速度实现的。最后结合文献报道提出了胜利褐煤水蒸气气化反应过程中矿物质的原位催化机理。

氧化钙对胜利褐煤焦水蒸气气化反应性能及微结构的影响

研究了CaO对胜利褐煤焦水蒸气气化反应性能及微结构的影响。脱除矿物质的胜利褐煤混合不同含量的CaO后在1100℃下进行热解得到相应的煤焦,采用BET、XRD和Raman技术对其进行表征,同时在微型固定床反应器上对所制得煤焦进行水蒸气气化实验。比较添加CaO不同含量煤焦的反应性表明,添加2%(质量分数)的CaO对煤焦水蒸气气化的催化作用很小,而CaO添加量增大到5%时,煤焦的气化反应性能明显提高。煤焦比表面积随CaO添加量的提高而增大。XRD结果表明,在热解过程中,CaO能有效地抑制煤焦向石墨化方向发展趋势。煤焦002和100峰的峰强度随CaO添加量的增加而降低,且煤焦芳香度从66.8%降至39.9%。Raman光谱结果表明,随着CaO添加量的增加,ID/IG由1.363增加至1.541,IG/Iall由0.423减少到0.394。意味着由于Ca的催化作用,煤中大芳香环结构的裂解速率明显增加,且随CaO添加量的增多,煤焦的无序化程度和晶格缺陷均增大。

固有矿物质对胜利褐煤热解气态产物生成及其动力学特性影响的实验研究

利用固定床反应装置,研究了内蒙古胜利褐煤(SL-raw)及其脱除矿物质煤(SL-HF)热解过程中CO2、CO、CH4和H2生成规律,同时通过动力学回归拟合,得到CO2、CO、CH4和H2生成活化能。矿物质的脱除并不影响热解气CO2、CO、CH4和H2依次生成顺序,对CH4热解生成特性几乎没有影响。SL-HF热解过程中CO2和CO生成温度与SL-raw相比分别降低了107 K和168 K,其最大生成速率分别提高和降低了17.1%和18.9%,而H2也降低了30.4%。矿物质的存在,有利于胜利褐煤在热解过程中生成CO+H2含量更高的合成气,同时H2/CO提高37%以上。动力学拟合结果表明,SL-raw和SL-HF热解过程中CO2、CO、CH4和H2生成活化能顺序均为:EH2>ECH4>ECO>ECO2,脱除矿物质的SL-HF热解生成CO2、CO和CH4活化能分别降低33.7%、13.1%和16.9%,H2生成活化能增加32.8%,表明胜利褐煤中矿物质在热解过程中抑制了CO2、CO和CH4的生成,却有利于H2的生成。

胜利褐煤矿物质脱除及其形貌变化的研究

本文采用水、盐酸及氢氟酸逐级处理,对胜利褐煤固有活性矿物质进行逐级脱除,并对矿物质脱除各阶段煤样及对应的煤灰进行SEM和EDS分析。结果表明,水对胜利褐煤的矿物质几乎没有脱除能力,而盐酸对矿物质有较大的脱除能力,可脱除55%以上的矿物质,而氢氟酸对盐酸不能脱除的矿物质脱除率可达85%,盐酸及氢氟酸对胜利褐煤矿物质的总体脱除率达93%以上,说明盐酸及氢氟酸对胜利褐煤矿物质具有很高脱除效率。胜利褐煤经盐酸及氢氟酸逐级处理后,大部分矿物质成分被脱除,矿物质含量大幅度下降,但其总体形貌却没有发生根本性变化。