基于工程造價的環(huán)境友好綠色催化劑設(shè)計

平 熹

（1. 北京腫瘤醫(yī)院， 北京 100142； 2. 北京建筑大學(xué)， 北京 100142）

基于工程造價的環(huán)境友好綠色催化劑設(shè)計

平 熹1,2

（1. 北京腫瘤醫(yī)院， 北京 100142； 2. 北京建筑大學(xué)， 北京 100142）

綠色催化劑是在催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)過程中，不產(chǎn)生環(huán)境污染，甚至是“零排放”，從而實現(xiàn)清潔生產(chǎn)的一類催化劑。當(dāng)前節(jié)能型社會發(fā)展的需要，綠色化學(xué)中急需更多的綠色催化劑?；诠こ淘靸r引入綠色化學(xué)理念，設(shè)計了加入一種固化劑進(jìn)行水玻璃耐水性優(yōu)化。采用固化劑起到了催化效果，提高了涂層耐水性。使水玻璃形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)起到了綠色催化的效果，對于我國工程造價的改進(jìn)具有一定的參考價值。

工程造價；水玻璃；房屋建筑；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

綠色化學(xué)是以綠色意識為指導(dǎo)，以最終杜絕化學(xué)污染源，實現(xiàn)綠色化學(xué)為最終目標(biāo)[1,2]。綠色化學(xué)的最大特點在于在始端采用實現(xiàn)污染預(yù)防的科學(xué)手段，過程和終端實現(xiàn)零排放和零污染。目前綠色化學(xué)的研究重點是[3-6]: (1)設(shè)計或重新設(shè)計對人類健康和環(huán)境更安全的化合物，這是綠色化學(xué)的關(guān)鍵部分; (2)探求新的、更安全的、對環(huán)境更友好的化學(xué)合成路線和生產(chǎn)工藝，可從研究、變換基本原料和起始化合物以及引人新試劑入手; (3)改善化學(xué)反應(yīng)條件、降低對人類健康和環(huán)境的危害，減少廢棄物的生產(chǎn)和排放。水玻璃即硅酸鈉，是由堿金屬氧化物和二氧化硅結(jié)合而成的可溶性堿金屬硅酸鹽材料，又稱泡花堿[7]。其化學(xué)式為R2O·nSiO2，式中R2O為堿金屬氧化物，n為二氧化硅與堿金屬氧化物摩爾數(shù)的比值，稱為水玻璃的模數(shù)[8-9]。建筑上常用的水玻璃是硅酸鈉(Na2O·nSiO2)的水溶液。水玻璃的密度：土木工程中常用水玻璃的密度一般為1.36～1.50 g/cm3[10-12]。水玻璃模數(shù)：水玻璃模數(shù)是水玻璃的重要參數(shù)，一般在1.5～3.5之間，水玻璃模數(shù)越大，固體水玻璃越難溶于水，二氧化硅含量越多，水玻璃粘度增大，易于分解硬化，粘結(jié)力增大[13,4]。

水玻璃具有耐酸、粘結(jié)力強、廉價等優(yōu)點，作為無機粘結(jié)劑在金屬防腐領(lǐng)域具有較大應(yīng)用潛力，但存在耐水性差、脆性大等問題，限制其應(yīng)用。通過分析水玻璃耐水性差的原因，探索提高水玻璃耐水性的途經(jīng)，并將水玻璃應(yīng)用于金屬的防腐領(lǐng)域。論文探究以自制防水固化劑對水玻璃圖層的性能影響及相關(guān)的作用機理。

1 工程造價角度探討催化劑概述

工程造價具備了以下特點：大額性、單個性、層次性、階段性、動態(tài)性。有效控制工程造價應(yīng)體現(xiàn)以下原則：以設(shè)計階段為重點的全過程造價控制。技術(shù)與經(jīng)濟相結(jié)合是是控制工程造價最有效的手段。

工程造價控制的主要內(nèi)容：決策階段做好投資估算。投資估算對對工程造價起到指導(dǎo)性和總體控制作用；設(shè)計階段強調(diào)限額設(shè)計。限額設(shè)計是控制工程造價的有效措施。經(jīng)批準(zhǔn)的投資估算作為工程造價控制的最高限額，是限額設(shè)計控制工程造價的主要依據(jù)；招投標(biāo)階段重視施工招標(biāo)；施工階段加強合同管理和事前控制。

本文主要從設(shè)備及工器具費角度進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化：設(shè)備及工器具費由設(shè)備購置費和工器具、生產(chǎn)家具購置費組成。它是固定資產(chǎn)投資中的組成部分。設(shè)備購置費是指為項目購置或自制的達(dá)到固定資產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的各種國產(chǎn)或進(jìn)口設(shè)備、工具、器具的購置費用。由設(shè)備原價和設(shè)備運雜費構(gòu)成。

2 工程造價角度優(yōu)化綠色催化劑實驗

2.1 實驗原材料

普通水玻璃：模數(shù)m=2.3 密度ρ=1.514 g/cm3，SPSN，LSEQN，MTC：食品級 MTC代糖甜味劑，CO2：工業(yè)瓶裝CO2，空氣：工業(yè)瓶裝空氣，環(huán)境溫度：25 ℃ 濕度：38% RH，水浴溫度：（90±10）℃，氣體溫度：（40±5）℃。

2.2 固化劑的制備

稱取一定量水玻璃（占石英砂5%），稱取一定量SPSN和LSEQN（各占水玻璃2%），放在研缽中研成粉末；將SPSN與LSEQN加入到水玻璃中，用玻璃棒攪拌均勻。圖1為固化劑的掃描電鏡圖。

圖1 固化劑掃描電鏡圖Fig.1 Curing agent scanning electron microscopy (SEM)

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 固化劑對水玻璃涂層性能的影響

固化劑的加入能夠使水玻璃固化形成網(wǎng)狀三維結(jié)構(gòu)，生成大量的Si-O-Si鍵。由于Si-O-Si鍵易收縮，大量的Si-O-Si鍵會導(dǎo)致涂層的脆性增大，使涂層易開裂、翹曲。本論文通過實驗發(fā)現(xiàn)，加入3%（wt）Y-400玻璃纖維，能夠提高涂層的韌性，緩解涂層開裂、翹曲的情況(圖2)。

3.2 實驗結(jié)果分析

3.2.1 水玻璃涂層作用機理的分析

Si-OH具有自發(fā)縮聚的趨勢，但是這個反應(yīng)在沒有外加固化劑的情況下，進(jìn)行的程度很低，量很少。因此，沒有外加固化劑的水玻璃通過加熱固化后是以零散的低聚合結(jié)構(gòu)和原始結(jié)構(gòu)組成。圖3為加固化劑的水玻璃固化后結(jié)構(gòu)組成圖。

圖2 Y-400玻璃纖維對涂層性能的影響圖Fig.2 Effect of Y - 400 glass fiber on the properties ofcoating

圖3 水玻璃的原始結(jié)構(gòu)和低聚結(jié)構(gòu)Fig.3 The original structure and low poly structure of sodium silicate

從圖3可以看出，低聚結(jié)構(gòu)中存在著大量Si-OH和Si-O-Na鍵，這兩種鍵的不穩(wěn)定，易被水分子攻擊而斷裂，導(dǎo)致低聚合結(jié)構(gòu)和原始結(jié)構(gòu)遭到破壞，從而固化后的水玻璃失去強度。本文推測，固化劑可以與水玻璃相互作用，使水玻璃中的Si-OH之間的聚合程度提高。

3.2.2 結(jié)果分析

對不同固化劑加入量的涂層粉末進(jìn)行DSC-TG分析，其結(jié)果如圖4所示。

DSC-TG結(jié)果表明：隨著固化劑的加入量不斷增大，樣品在100 ℃左右的失水峰不斷右移；隨著XK-1的加入量不斷提高，樣品的失重量不斷減少。因此，XK-1的加入，使得水玻璃的固化程度提高，三維結(jié)構(gòu)更加完善。從推導(dǎo)的水玻璃固化后的網(wǎng)狀三維結(jié)構(gòu)可以看出，形成的網(wǎng)狀結(jié)夠?qū)a+屏蔽在網(wǎng)格中，產(chǎn)物[XK-1]n[OH]m又固定了OH-，從而提高了水玻璃的耐水性。而形成的三維結(jié)構(gòu)中大量的Si-O-Si鍵導(dǎo)致涂膜加熱過程中，收縮較大，涂膜易龜裂，這與實驗現(xiàn)象吻合。

圖4 不同加入量對應(yīng)的TG圖Fig.4 TG figure of sodium silicate with different dosage curing agent

4 結(jié) 論

當(dāng)前綠色化工催化劑理論發(fā)展逐漸得到完善，但大多數(shù)催化劑仍停留在實驗階段，催化劑性能不穩(wěn)定，制備過程復(fù)雜，性價比低是制約其工業(yè)化應(yīng)用的主要原因，但從長遠(yuǎn)角度考慮，采用綠色化工催化劑是實現(xiàn)生產(chǎn)零污染的一個必然趨勢。本文工程造價角度優(yōu)化了綠色催化劑的特性，采用涂覆技術(shù)在 Q235鋼表面涂覆水玻璃涂層，通過自制防水固化劑提高涂層耐水性，并加入Y-400玻璃纖維提高涂層韌性。固化劑對水玻璃的作用機理主要是能夠使水玻璃形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使 Na+被屏蔽在網(wǎng)格中，從而提高水玻璃的耐水性。現(xiàn)階段對工程造價成本控制的范圍，大多集中在工程實施階段，如果將綠色催化劑的理念融入到工程造價成本控制中，在工程前期設(shè)計階段就將綠色催化劑與工程設(shè)計融為一體，并在工程實施階段保障綠色催化劑的正確使用，就能夠比其他工程在竣工后的節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境更有優(yōu)勢。所以，綠色催化劑的設(shè)計使用將工程造價成本控制的理念得以由工程竣工驗收之前延展到工程竣工驗收后的運營、維護(hù)階段，并且對節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。

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Design of Environmental Friendly Green Catalyst Based on the Project Cost

PING Xi
（1. Beijing Cancer Hospital，Beijing 100142，China；2. Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100142，China）

Green catalysts don’t form environmental pollution in the catalytic conversion reaction to realize clean production. In order to meet the needs of energy saving social development, more green catalysts need be developed. Based on the project cost, through introducing green chemistry idea, the water resistance of sodium silicate was optimized by adding a curing agent. The curing agent has played catalytic effect to improve the water resistance of coating. The three-dimensional network structure of the sodium silicate has green catalytic effect. This research has a certain reference value for our country's engineering cost improvement.

Sodium silicate; Housing construction; Network structure

F 426.9

A

1671-0460（2016）03-0488-03

2015-11-15

平熹（1987-），男，北京人，助理工程師，2010年畢業(yè)于北京建筑工程學(xué)院工程管理專業(yè)，研究方向：工程管理工作。