水热材料化学及水热热压法

中国的水贫穷到什么地步呢？联合国一项研究报告指出：全球 现有12亿人面临中度到高度缺水的压力，80个国家水源不足， 20亿人的饮水得不到保证。预计到2025年，形势将会进一步 恶化，缺水人口将达到28亿～33亿。世界银行的官员预测，在 未来的5年内“水将像石油一样在全世界运转”。 我国属于缺水国之列，人均淡水资源仅为世界人均量的1／4， 居世界第109位。中国已被列入全世界人均水资源13个贫水国 家之一。而且分布不均，大量淡水资源集中在南方，北方淡水 资源只有南方水资源的1／4。据统计，全国600多个城市中有 一半以上城市不同程度缺水，沿海城市也不例外，甚至更为严 重。目前我国城市供水以地表水或地下水为主，或者两种水源 混合使用，有些城市因地下水过度开采，造成地下水位下降， 有的城市形成了几百平方公里的大漏斗，使海水倒灌数十公里。 由于工业废水的肆意排放，导致80％以上的地表水、地下水被 污染。
1.9.4 水热合成（Hydrothermal synthesis) 水热条件下的无机、有机化合物的合成。
1.9.5 水热氧化 （Hydrothermal oxidation) 水热条件下所进行的氧化反应。例如从金属合成其金属氧化物微小粉末等。 1.9.6 水热烧成 （Hydrothermal sintering) 水热条件下烧成粉末使其固化的方法。例如，无机粉末加水成型，在饱和水蒸气条 件下被硬化。
1.9.2 水热反应釜（Autoclave） Auto：自动的意思，Clave：釜的意思。即，水放在密闭容器中，增加温度，其压力 也随着上升的意思。 最近，让高温高压水（气体）通过非密闭容器（管道）的设备也称连续式水热反应 釜（设备）。这种连续设备多用于矿物的有价金属抽出，煤的液化，新陶瓷材料的 合成，水晶的单晶合成，以及生物质的有价物的分界合成，有害物的分解等。 1.9.3 水热还原（Hydrothermal reduction) 水热条件下所进行的还原反应（化合价降低）。利用它可以制作金属以及氧化物的 超微细粉末，或制作金属薄膜等。
1.9.7 水热处理（Hydrothermal treatment) 1.9.8 水热分解 水可以溶解无机和有机物。在水热条件下分解然后溶解的现象。 饱和水蒸气下的加水分解在300-330 C时最为激烈。在温度范围内，最难分解的 PCB、氟利昂也可以比较容易地分解。
专家们警告：“20年后中国将找不到可饮用的水资源”。美国民间有影 响的智囊机构———世界观察研究所发表的一份报告中称：“由于中国 城市地区和工业地区对水需求量迅速增大，中国将长期陷入缺水状况。” 中国的黄河在过去的10多年年年断流，其中1997年断流226天。流经中国 一些人口稠密集地区的淮河去年也断流了90天。根据卫星拍摄的照片， 数百个湖泊正在干涸，一些地方性的河流也在消失。目前全国600多座城 市中，有300多座城市缺水，其中严重缺水的有108个。其中北京市的人 均占有水量为全世界人均占有水量的1／13，连一些干旱的阿拉伯国家都 不如。 但是广大老百姓能感受到我们如此的窘境吗？没有。 就生产用水来说，在宁夏的一些地方，每亩水稻一年大约需要浇2000多 立方米水，一亩小麦得1200多立方米水。中国农村普遍的水资源利用率 只有40％左右。在宁夏，每公斤大米耗水超过两吨。大水漫灌如果真的 对庄稼有好处，倒也罢了，但事实上这种做法是引起土地盐碱化的最根 本原因。 工业用水方面，我国炼钢等生产过程的单位耗水量比国外先进水平高几 倍甚至几十倍。水的重复利用率不到发达国家的1／3。
1.5 材料科学和水热化学
1910年代美国的Morey等矿物合成以及在玻璃、相平衡方面的研究；从1930年代开 始英国等的有关用电波探测器的人工水晶的研究为早期材料合成的应用性研究。 第二次世界大战后，美国比尔研究所的Laudise, Walker等的大型单晶合成研究，以 及华盛顿的地球物理研究所、宾夕法尼亚州立大学的Osborn, Tuttle, Roy等开发了 新的水热反应釜，都对水热试验有了大的贡献。 丹麦的Rabenau在1960年代进行了水热，特别是酸性溶液的无机化合物的试验，并 进行了很多水热合成方面的基础研究。 日本理化研究所的桂井富之助在1926年进行了从土页岩抽出铝、1931年东京大学的 永井彰一郎水泥化合物的水和反应、以及1935年大阪大学的千谷利三、山崎重明的 脂水热反应方面的早期研究。 早期日本国内有关水热研究方面的研究设施有：名古屋大学的野田稻吉、中重治的 人工晶体研究设施、东京工业大学的宗宫重行、平野真一、吉村昌弘的水热研究设 施。他们在水热合成材料方面做出了大的贡献。 1982年在宗宫的提议下，在东京工业大学召开了第一届有关水热反应的国际会议。 该会议不但有材料，也有物理、化学、机械、矿物等方面的研究。随后，第二届在 美国、第三届在苏联、第四届在法国等……。 现在还有东京工业大学吉村昌弘的水热条件下的电化学反应、以及日本高知大学的 山崎仲道水热条件下的热压（Hot Press）方法等。 中国在该方面起步比较晚，该技术主要用在粉体和材料的合成上。例如吉林大学等。
1.7 水热科学和环境保护
水热技术在有机反应中的应用是1950年代美国F. J. Zimmermann提出的湿 式燃烧。该技术最初用于造纸废液的有效利用。即在200C的水热条件下 让造纸废液和空气反应生成有用副产品。此后，利用更高的水热条件，将 造纸废液进行了无机化。而后，该技术也发展到下水和屎尿的处理上。 另外，为了避开Zimmermann的专利范围，美国的US Modar Inc. 公司开 发的超临界氧化技术以及丹麦Vertech Inc. 公司的液化技术也已公开化 （专利到期）。他们提供了利用超临界技术的液化、气化和氧化并存的有 机物高速分解。在这种条件下，有毒、有害物可以在极短时间内进行完全 分解处理，但是，由于极端的反应条件，对设备的腐蚀问题还没有得到还 得解决。 美国在核废料、生化武器等方面也用到了水热技术。这些成果后来也民用 到了处理二恶英和PCB上。 1970年代，由于能源危机和环境问题的恶化，水热技术又开始用到了煤 炭液化、重油脱硫以及有机氯化物分解上。 我国利用水热技术在环境能源领域还属于初步阶段。 例如，水热技术已被用于废弃物的有效利用、有机废弃物的资源化，二氧 化碳的资源化等方面。
1.6 水热技术和硅酸钙建材
水热技术的最大应用之一就是在硅酸钙建材方面。在水热条件下产生纤维 状的Xonotlite和Tobermorite 晶体的建筑材料。 最初的合成出现在前苏联、丹麦、英国、德国等欧洲国家。 近来在日本也有了大的发展。作为硅酸钙材料的基础科学，东京工业大学 的近藤连一和名古屋工业大学的光田武等作了大的贡献。 水热合成的硅酸钙建材是一种轻质多空的节能建材。 由于水热反应后产生的相非常复杂，所以在这方面的研究还远远不够。 利用水热技术给水泥瓦施陶瓷釉料（900度）也是这方面的一个应用。 中国已经引进了国外的技术（德国）在国内生产。
1.2 热力学和水蒸气 水利用的进展离不开蒸气机的开发和改良。
从公元前2世纪Heron书中描述的蒸气球开始，到1629年意大利的G. Braca的蒸气机发动机的提案。这些大概是人类最早的利用蒸气的记 载。 蒸气机的实用化，最初是Newcomen（1712年），1769年以后的发展 是属于J. Watt。 真正的蒸气发动机要比蒸气机晚了100年。经1883年De Laval，1884 年英国的C. A. Parsons,1997年法国的C. E. A. Rateau 和瑞士的Y. H. Zeolly的改进得以成型。 蒸气压的利用是和上述蒸气发动机的发展密切相关的。实际，热力学 理论的普及是到了1850年以后。 发电机有人说W. Von Siemens （1870）发明的，随1879年T. A. Edison 的电灯泡的发明，1882年伦敦的第一家电力发电所开业。
水热技术及水热热压法
景镇子
பைடு நூலகம் 1. 水热科学的历史和现状
1.1 水
空中的云：气体水（水蒸气） 海，河，湖和下的雨：液体水 雪，冰：固体水。 所以可以认为水是充满了整个地球。自古以来它和空气一样一直伴随着 人类。 人类生存离不了水，同样人类社会也离不了水！
人口爆炸，人类为了生存又破坏了水资源（在中国就非常多）。 20世纪是能源危机，21世纪是水资源危机！ 所以，地球上的人类要生存就要好好解决[水]的问题！也就是说人类是 否能生存主要关系到水！
1.8 水热系统树
水热科学技术的基础是树的根部，其应用为树干和树叶。 其应用部分共有两大类：一为能源、资源和环境，二为新材料的开发等。
1.9 水热科学用语的定义
1.9.1 亚临界水：水在374 C、22.1MPa时的状态（液和气没有分界）称为临界状态。 在此以下为亚临界；以上为超临界水。
饱和蒸汽压下水的离子 积在330 C附近达最大 值。有机氯化物（PCB， 二恶英等）在此范围易 分解；另外，地壳内的 矿物生成也在该领域比 较多。
1.4 从水热化学到资源地质学以及冶金学
和地球化学相关的利用高温高压水的水热反应的研究有了非常快的发展。 水热化学（Hydrothermal Chemistry）本来就是地质学中的用语。地质中的热水 实际上就是化学中的水热，两者是同义词。 地球化学是由V. M. Goldschmidt所确立。产业革命以来，从资源开发到岩浆中提 取金属的过程中的高温高压水均起到了不可磨灭的作用。 有关地下资源的开发，在前苏联时代该研究就有了飞速的发展。美国同样也投入 了大量的财力和人力进行研究开发。 岩石学、矿物学、矿山学为从矿石提炼有价金属的精练、冶金领域的水热反应提 供基础。 现代化和大量的消费导致了对矿物资源的需求量的加速。其结果是高品质的矿藏 减少，同时大量的废渣、废弃物、废水以及废气体的成为一个大的问题。 湿式精练，特别是使用反应釜（Autoclave)的加压浸出技术，是由加拿大的British Colombia 大学的Forward教授为中心经和公司的共同研究取得了多项成果，实现 了工业化。这种技术属于完全封闭体系、无公害排出，它的有价金属抽出率高等 优点。 1970年左右，以“Hydrothermal Technology”为中心的金属抽出研究得到了更快 的发展，而且该技术也在产业废弃物的处理方面得到了应用。
1.3 热力学的基础：高温高压水的PVT数据（ICPWS的历史）
火力发电促进了产业革命。随着蒸汽机技术的改良，人们对正确的P-V-T关系提出 了更高的要求。 由于当时的PVT数据有很大的不同，1929年在伦敦召开了第一次国际蒸气表会议 (International Steam Table Conference)。在这次会议上，提出了国际骨架蒸气表 （IST: International Skelton Table），另外还定义了各种热力学方面的名称（例如 Kcal等）。随后，1934年又在美国的第三次会议上承认了作为国际标准的IST。第 二次世界大战后，随着蒸气发电的普及，1954年在美国宾尼法尼亚大学又召开了 改名为第四次国际蒸气性质会议(ICPS: International Conference on the Properties of Steam）。这次会议开的非常成功。 随着火力和原子能发电的进展，该会议的研究范围得到了很大的扩充。例如从机 械到了化学，物理化学，地球物理，地球化学等。 1968年ICPS在东京召开，有14个国家的科学家参加了这次会议。 1970年莫斯科的会议上又改名为国际蒸汽性质协会（International Association for the Properties on Water and Steam: IAPWS)。 1984年的第十一次水蒸气会议又改名为国际水-蒸气性质协会（International Conference on the Properties of Water and Steam: ICPWS)。 1994年9月在ICPWS会上决定该会议将纳入和环境相关联的内容（例如，有毒有 害物质的水热处理，以及超临界溶液的湿式氧化等。 2004年ICPWS在日本京都召开，本人参加了会议，并发表了论文。