金屬耦合微波場強化熱解成型碳材料的研究

(山東科技大學，青島 266590)

0 引 言

石油和天然氣燃料資源在社會經濟發展中發揮著至關重要的作用，但其用量主要依靠進口，造成工業產生成本的提高。目前，石油和天然氣行業面臨的最大挑戰是如何從生產領域維持清潔產出[1]。然而，煤炭、生物燃料和固體廢棄物的巨大貢獻可以在未來對世界能源起到至關重要的作用。

微波加熱具有快速性、選擇性和高效性等優點，通過材料的介電損耗可促進電磁能轉化為熱能，以空間性的形式誘導產生分子水平上的熱量[2]。基于煤炭熱解理論，微波加熱技術有望改善煤炭熱解過程以及熱解產物的調控。在電磁場中，金屬對微波的介電響應特性可顯著促進介質材料對微波的吸收，進而降低介質材料在熱處理過程中。基于多位學者對炭基材料和金屬氧化物對微波熱解褐煤的影響研究，線性金屬耦合微波熱解型煤特性的報道較少。文中以褐煤為原料，通過冷壓成型制備得到型煤，研究線性金屬的種類和長度對型煤熱解的型焦進行物理特性和化學結構分析，借助FT-IR、SEM表征型焦的物化性質，為金屬耦合微波熱解型煤作用機理奠定基礎。

1 實驗部分

1.1 型煤的制備

本實驗采用的褐煤來自于內蒙古東部地區，將褐煤分別用破碎機粉碎，使用標準篩進行篩分，取粒徑小于80目的原料置于干燥箱中在105 ℃的環境下干燥24 h。褐煤的工業分析與元素分析見表1。

冷壓成型制備型煤分為兩步：混合與冷壓成型。褐煤與粘結劑(羧甲基纖維素)按照10∶1比例混合均勻，將混合均勻的煤料放于模具中，利用壓片機在6 MPa恒壓下保持5 min后脫模。制備得到規格為φ60 mm×10 mm的型煤，室溫下自然干燥24 h。

表1 褐煤的工業分析和元素分析

1.2 實驗裝置與方法

實驗中選用鐵、鋁和銅三種金屬。線性金屬采用直徑相同，高度不同的四種規格，分別為φ1×40 mm、φ1×60 mm、φ1×80 mm、φ1×100 mm。

型煤中部一次插入不同線性金屬，然后放入自制密封性良好的石英微波反應器中，置于微波爐中進行熱解。實驗開始前，通入氮氣形成惰性氣體環境，調節氮氣流量為200 Ml/min，設定微波功率為320 W，時間為15 min。成型炭熱解工藝如圖1所示。

圖1 型煤熱解裝置示意圖

1.3 樣品表征與分析

1.3.1 型焦物理特性參數分析法

成型炭物理特性參考生物質成型燃料的計算方法，主要參數如下：

抗跌碎率(Dr)：將樣品從1.5 m的高度跌落，一共跌落三次。稱取剩余樣品質量(Mr)，與其原成型燃料質量(Mt)比值即為抗跌碎率，計算公式如下式。

1.3.2 SEM分析

探究樣品微觀結構需使用掃描電子顯微鏡(SEM)檢測方法，能觀測到試劑在樣品表面的分布狀況、樣品的表面形貌、成分分析和元素分析、裂紋和空隙產生的大小等信息。

1.3.3 FT-IR分析

文中采用Vertex70傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)表征產物表面的官能團。常見的化學基團在4 000～400 cm-1范圍內有特征基團頻率。

2 結果與討論

2.1 金屬耦合微波熱解型煤隨型焦物理特性的影響

一般情況下，體積密度越高其抗跌碎性能越好。型焦抗跌碎率如圖2所示。隨金屬長度的增加更多空間中的微波能誘導在型煤，強化型煤熱解，型焦抗跌碎率持續下降。

圖2 不同線性金屬耦合微波熱解型煤型焦的抗跌速率圖

2.2 金屬耦合微波熱解型煤對型焦孔隙結構的影響

圖3為不同金屬耦合微波熱解型煤制備型焦的SEM圖。從圖中可以得知，引入不同金屬種類，型焦呈現的孔隙結構和粗糙程度不同。線性金屬鐵絲制備的型焦，表面粗糙而且疏松多孔；插入銅絲制備的型焦，表面比較密制孔徑較小；鋁絲耦合微波制備的型焦表面的孔隙結構介于鐵絲和銅絲之間。線性金屬的加入，聚集立體空間微波能誘導到型煤，促進熱解反應的發生。

圖3 不同線性金屬耦合微波熱解型煤型焦的SEM圖

2.3 金屬耦合微波熱解型煤對型焦官能團的影響

圖4 不同線性金屬耦合微波熱解型煤型焦的FT-IR圖

圖4顯示了型煤在線性金屬長度為10 cm時鐵絲、鋁絲和銅絲強化微波熱解條件下制備型焦的FT-TR圖。可以看出，不同線性金屬的譜圖形態比較相似，在3 450 cm-1是褐煤中羥基的吸收峰，峰形寬且鈍，說明在熱解過程中羥基發生了分解，其分解程度為：鐵絲>銅絲>鋁絲。1 600 cm-1附近是芳烴及多環芳香層的C=C骨架振動，此吸收峰反應了煤的芳構化結構，隨煤化程度的加深而逐漸減弱。

3 結束語

(1)線性金屬耦合微波有效的強化了型煤的熱解，加快了熱解反應速率。微波加熱整體性的特點與金屬聚集外部空間微波能相結合，加速揮發分的析出，利用型焦孔結構形成。

(2)線性金屬的引入，加劇了型煤大分子芳香結構的分解以及含氧官能團的釋放。不同金屬能夠調熱解產品的分布，因不同金屬暴露在微波場中形成不同的活性位點，致使焦油、煤氣和型焦的組分發生改變。