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研究方向(Research Fields)

1.  电解质水溶液微观结构研究

(液-固、液-气、液-液)相平衡宏观性质是其微观性质的反映。理解宏观性质得从微观性质入手。例如:1)同为碱土金属的硫酸盐,为何硫酸钙的溶解度只是硫酸镁溶解度的百分之一?2)为什么溶液中NH4F的存在会使MgF2的溶解度降低百倍,而MgCl2的存在却使MgF2的溶解度增大百倍?3)加入把固体KCl(RbCl、CsCl)加到高浓度的CuCl2(或CaCl2、ZnCl2)水溶液中,溶液中水的活度却反而升高?4)为何很多的物质(如水与煤油)只是在接近纯物质的两端有限互溶?5)为何有些电解质溶液的结晶会存在强烈的过冷(过冷度超过60度),而另一些却不会?对相关溶液结构的研究,有助于加深我们对这些问题的本质认识, 为相关化工过程的新工艺开发和材料设计奠定重要的理论基础。研究的方法有紫外光谱、扩展的精细X光衍射光谱(EXAFS)、分子动力学模拟(MD)和量子化学计算(TD-DFT)等。

2.  电解质水溶液(或熔盐)及相平衡宏观性质的研究

电解质水溶液宏观性质(如水的活度、混合热、热容)及相关相平衡数据,是开发化学热力学模型的基础,后者最终服务于化工工艺开发和材料设计。尽管人类已进行了大量研究,但在学科交叉的应用领域,大量的宏观数据仍然缺乏。一个典型的例子是重金属硫酸盐水溶液中水的活度在高于的数据未见任何文献报道,而这些数据又非常重要,原因是很多冶金过程是在高温下进行的。我们部分研究活动聚焦于电解质水溶液在高温下的水的活度测定和湿法冶金特殊体系的固-液相平衡方面。

3. 热力学模型开发与应用

盐湖化工、化工冶金和储能材料设计过程设计复杂的盐-水体系相图,热力学模型是预测和评估这些复杂体系相图的有效手段。人类在已有的热力学模型开发方面成果丰硕,然而人仍有待改进与提高。一个简单的例子是目前几乎所有的描述水溶液性质的热力学模型当用到电解质水溶液的介电性质时均借用纯水的介电常数,溶液介电常数受盐浓度影响巨大。简化的热力学模型的有效性在实际应用中面临巨大的挑战。

4. 溶解度数据评估

 

5.  室温相变储能材料相图设计

研究高溶解性的盐水体系的热力学特性,选择和修正热力学模型,对一系列的多元盐水体系进行相图预测和实验验证,设计出新型室温相变储能材料,并把它们推向工程应用。 在德国Merck公司和中国科技部863和973项目的支持下,通过对BET热力学模型的修正,首次从理论上预测了逾20个硝酸盐水体系相图,找到了一批室温相变储能新材料,获得中国授权专利6项,相关成果发表在Calphad, J. Chem. Thermodyn. J Therm Anal Calorim等杂志上。

6.  盐湖资源利用中相关相图研究

针对盐湖资源利用中所涉及的体系相平衡行为的复杂性,积极开展复杂盐湖卤水体系溶液化学和相化学的基础研究,为盐湖资源的高效综合利用提供理论依据。研究内容包括 1)高温盐水溶液组分活度和溶解度的实验研究;2)针对高溶解性的多温多元盐水体系,开发出新型的热力学模型,用以预测它们的相图,初步的研究结果发表在J Sol Chem, Hydrometallurgy, J Chem Thermodyn,J. Chem. Eng. Data, CALPHAD上。

7.  湿法冶金体系中相平衡现象

钙镁结晶现象广泛存在于湿法冶金的各过程,其结疤危害工业操作条件,在产品中的结晶严重影响产品质量。我们的工作,通过对CaSO4-(Cu,Ni,Co,Mn,Zn,Mg)SO4-H2SO4-H2O)等体系开展系统深入的溶液化学及相化学研究,确立在宽广的温度范围(25C-100C)内描述和预测钙镁结晶行为的热力学模型及其参数,找到在多元工业体系中钙溶解度最低的洼区,以此为基础提出抑制湿法冶金过程钙结晶的新方法,开发出环保地除钙新技术。研究结果发表在《中国科学》,Pure & Applied Chem., Ind Eng Chem Res上。