活性炭储能相变混凝土制备与力学性能试验研究

发布时间：2020-08-22 15:03

【摘要】：研究了不同粒径活性炭在不同温度下、不同吸附方式下的吸附性能以及不同配比环氧树脂的封装效果。用活性炭吸附相变材料(phase change materials,PCM)癸酸-正辛酸制得相变储能骨料(phase-changing energy-storing concrete,PCESA)。通过DSC测试PCM和PCESA的相变特征,用SEM图像分析吸附材料的微观结构。通过不同温度下PCM浸泡吸附率分析活性炭吸附性能,进行了超声波吸附与真空吸附方式下的PCM吸附性能试验。实验结果表明,PCM与PCESA的相变特性稳定,具有较好的热物理性能;6mm粒径的活性炭孔隙结构较完好,吸附PCM的性能较好;在30℃、40℃和50℃水浴温度下吸附率较高;真空吸附性能较其他吸附方式好;以环氧树脂、稀释剂与固化剂按质量比1:0.15:0.25的配比封装效果较好。以活性炭为基体材料吸附癸酸-正辛酸制备相变储能骨料,研究了不同掺量的活性炭骨料,活性炭储能骨料与粉煤灰对混凝土抗压、抗拉和抗折性能的影响,以及不同掺量的硅粉对活性炭储能骨料与粉煤灰双掺混凝土的抗压抗拉性能影响。试验结果表明:活性炭骨料和粉煤灰的掺入会降低混凝土强度。当单掺10%的活性炭骨料,单掺15%的粉煤灰,双掺10%的活性炭骨料与15%的粉煤灰时,混凝土抗压强度分别损失26.50%、25.42%和38.09%,抗拉强度分别损失16.19%、13.65%和28.25%,抗折强度分别损失28.54%、15.73%和33.51%。当活性炭储能混凝土中掺入10%的硅粉时,混凝土抗压和抗拉强度分别提高16%和10%。对不同掺料相变混凝土试件分别在标准养护3d、7d、28d、56d和90d后进行立方体抗压与劈裂抗拉试验。结果表明:单掺硅粉混凝土除3d龄期外,其他不同龄期抗压强度均高于其他掺料相变混凝土;单掺粉煤灰会进一步降低相变混凝土的强度,双掺粉煤灰与硅粉在90d龄期下可达到基准相变混凝土强度。单掺硅粉相变混凝土 7d抗压强度增长较快,增长率为85.35%,56d抗拉强度增长较快,增长率为43.66%;单掺粉煤灰相变混凝土 7d抗压强度增长较快,增长率为59.31%,28d抗拉强度增长较快,增长率为54.94%;双掺硅粉与粉煤灰相变混凝土 28d抗压强度增长较快,增长率为62.75%,56d抗拉强度增长较快,增长率为59.14%;单掺硅粉相变混凝土 7d和28d抗压强度增长率分别比单掺粉煤灰高26.04%和17.08%,单掺粉煤灰56d和90d抗压强度增长率分别比单掺硅粉高5.85%和 7.53%。为了观察不同龄期(3d、7d、28d、56d和90d)相变混凝土内部不同界面微观结构,对破坏后的试件进行切割取样,通过扫描电镜进行观测不同掺料混凝土试件内部微观形貌。结果表明:随着龄期的增长,不同掺料相变混凝土各个界面过渡区都有不同程度的发展;在7d和28d龄期,粉煤灰水化反应相对缓慢,而硅粉水化反应相对较快,且对前期混凝土微裂缝有一定的填充效应;双掺粉煤灰与硅粉对混凝土内部孔隙填充效果比单掺粉煤灰和单掺硅粉都要好。为了研究相变储能混凝土在不同相变循环次数下的质量损失、外观形貌和力学特性,以及不同掺料对相变混凝土抗冻性能的影响,设计了7组不同编号的混凝土试件进行试验。结果表明:相同的循环次数下,抗压、拉强度随着相变储能骨料掺量的增加而降低;双掺粉煤灰和硅粉组比单掺粉煤灰组与单掺硅粉组抗压、拉强度损失小;单掺粉煤灰组抗压强度损失最大,100次相变循环后抗压强度下降24.58%;单掺粉煤灰组与单掺硅粉组100次相变循环后抗拉强度损失分别为27.64%、30.31%。最后研究了相变混凝土的骨料种类及其体积分数、掺合料种类对导热系数的影响。结果显示:基准混凝土组与掺加活性炭混凝土组导热系数差异不大,当储能骨料掺量增加,导热系数也明显增大,几乎呈线性增长;单掺粉煤灰导热系数明显高于未掺组但比单掺硅粉组导热性能略差,双掺粉煤灰与硅粉组导热系数略高于单掺粉煤灰组。图43表20参67
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU528
【图文】：

柱状活性炭,煤质,粒径,活性炭

种煤质柱状活性炭，它比表面积大，内部微孔结构丰富，试验取用三种不同粒径逡逑的活性炭作为吸附封装材料，直径分别为４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍ，材料性能见表２－１，逡逑不同粒径的活性炭如图２－１。逡逑表２－１不同粒径活性炭的性能指标逡逑Ｔａｂｌｅ邋２－１邋Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ邋ｉｎｄｅｘ邋ｏｆ邋ａｃｔｉｖａｔｅｄ邋ｃａｒｂｏｎ邋ｗｉｔｈ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｐａｒｔｉｃｌｅ邋ｓｉｚｅｓ逡逑品名逦产品规格／ｍｍ逦装填密度ｇ／丨逦碘值ｍｇ／ｇ逡逑煤质柱状活性炭逦０４逦５００？５５０逦４００？６００逡逑煤质柱状活性炭逦０＞６逦５５０？６００逦６００？９００逡逑煤质柱状活性炭逦０８逦６００？６５０逦９００？１０００逡逑４ｍｍ邋Ｌ逦６ｍｍ逦８ｍｍ逡逑ｍｍ邋ＷＫＢ逦ｗｍ逡逑图２－１不同粒径的煤质柱状活性炭逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｃｏａｌ－ｌｉｋｅ邋ｃｏｌｕｍｎａｒ邋ａｃｔｉｖａｔｅｄ邋ｃａｒｂｏｎ邋ｗｉｔｈ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｐａｒｔｉｃｌｅ邋ｓｉｚｅｓ逡逑将原料活性炭（简称原炭）经电热鼓风恒温干燥箱烘干至恒重，计算得原料逡逑活性炭含水量在３．２％－４．２％范围内。进行原炭、原炭烘干、过水炭烘干的吸水率逡逑试验，试验结果如图２－２所示。活性炭的吸水率计算公式如下：逡逑ｗ＝邋Ｗｌ－￣－２ｘｌ００％逦（２－１）逡逑式中：逡逑ｗ—活性炭吸水率；逡逑一活性炭烘干吸水后质量；逡逑ｍ２邋一活性炭供干质量。逡逑－１０－逡逑

吸水率,癸酸

逡逑由图２－２可知，原炭的吸附性能明显低于原炭烘干与过水炭烘干，且过水炭逡逑烘干（即原炭经过清水冲洗后烘干）比原炭烘干的吸水性能略高。说明原炭在生逡逑产和运输过程中会产生很多细小粉状活性炭覆盖其表面，影响其吸附性能，且含逡逑水量对活性炭的吸附性能有影响。所以为了制备吸附材料应将原炭用清水进行冲逡逑洗去除表面附着的粉状活性炭，再经过电热鼓风恒温干燥箱烘干至恒重，密封保逡逑存待用。逡逑１８邋ｒ逡逑１６逡逑？＾＇逡逑？１２－逡逑１邋＾逡逑原炭逡逑８邋－逦－？－原炭烘千逡逑过水炭烘千逡逑０邋Ｉ邋Ｉ邋■邋Ｉ邋．邋Ｉ邋■邋１邋．邋Ｉ邋．邋Ｉ邋■邋Ｉ邋■邋Ｉ邋．邋Ｉ邋．邋ｉ邋■邋ｉ逡逑１５邋２０邋２５邋３０逦３５逦４０逦４５邋５０邋５５邋６０邋６５逡逑时间（ｍｉｎ）逡逑图２－２邋８ｍｍ原炭处理前后吸水率逡逑Ｆｉｇ．邋２－２邋Ｗａｔｅｒ邋ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ邋ｏｆ邋８ｍｍ邋ｒａｗ邋ｃａｒｂｏｎ邋ｂｅｆｏｒｅ邋ａｎｄ邋ａｆｔｅｒ邋ｔｒｅａｔｍｅｎｔ逡逑２．２相变材料的性能逡逑癸酸为无锡市展望化工试剂有限公司提供的化学纯试剂（ＣＰ，即纯度９８％逡逑以上）；正辛酸为广东翁江化学试剂有限公司提供的分析纯试剂（ＡＲ，即纯度逡逑９９％以上）。本试验的相变材料为癸酸－正辛酸（如图２－３）是按质量比３０邋：邋７０混逡逑合经超声波清洗机（ＱＴ１９９０，北京科玺有限公司生产，如图２－４）振荡制得。逡逑图２－３相变材料癸酸－正羊酸逦ＳＩ邋２－４超声波清洗机逡逑Ｆｉｇ．

曲线,正辛酸,相变储能,癸酸

逡逑活性炭吸附相变材料之后即得到相变储能骨料（ＰＣＥＳＡ）。图２－５为相变材逡逑料癸酸－正辛酸与相变储能骨料的ＤＳＣ邋（Ｑ２００，美国ＴＡ公司生产）曲线。由图逡逑可知ＰＣＭ和ＰＣＥＳＡ的ＤＳＣ测试曲线走势基本一致。另外表２－２为ＤＳＣ测试结逡逑果。由表中数据可知，ＰＣＭ和ＰＣＥＳＡ的熔融相变峰值温度分别为３．６６°Ｃ和逡逑２．７６°Ｃ，凝固相变峰值温度分别为－４．２４°Ｃ和－３．８；ＴＣ；熔融相变焓分别为１１１．３Ｊ玄１逡逑和３７．７６９Ｊ邋？邋ｇ４，凝固相变焓分别为１０７．０Ｊ邋？邋ｇ４和２９．６９Ｊ邋？邋ｇ—１。可知ＰＣＥＳＡ对逡逑ＰＣＭ的相变温度范围影响较小，但对相变焓的影响较大。逡逑文献［８］指出ＰＣＥＳＡ的相变温度范围会随着相变材料的体积分数增加而变逡逑大，由于活性炭吸附癸酸－正辛酸并没有达到完全饱和，ＰＣＭ在相变过程中体积逡逑变化不会受到约束，因此活性炭对癸酸－正辛酸的相变温度范围影响较小；而相逡逑变焓影响较大是因为复合相变材料的潜热储能效果与吸附介质和被吸附对象的逡逑比例密切相关由于活性炭只吸附了邋２５％左右的ＰＣＭ

【参考文献】