铁基催化剂的碳烟催化燃烧研究

发布时间：2017-12-25 03:15

本文关键词：铁基催化剂的碳烟催化燃烧研究　出处：《中国科学技术大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：近年来,颗粒物质污染是我国主要的空气污染之一,化石燃料燃烧产生的碳烟则是空气中颗粒物质的重要组成部分。碳烟颗粒不仅严重污染大气环境,而且危害人体健康,导致心血管等疾病的高发,因此控制碳烟颗粒污染显得十分必要。汽车发动机尾气排放,以及生活、生产燃料的燃烧都是产生碳烟颗粒的重要来源。在汽车尾气处理上一般使用颗粒物过滤器来净化碳烟颗粒,但过滤器的再生问题是影响净化效率的关键,一直是学者的研究重点。过滤器的被动再生主要有两种解决方式:燃料中添加催化剂和过滤器上涂覆催化剂。在燃料中添加催化剂不仅能解决汽车尾气碳烟排放问题,而且能应用在一般燃烧器中,因此是本文的重点研究内容。此外,本文也研究了在过滤器上涂覆固体催化剂对碳烟颗粒的催化效果。铁基催化剂因具有良好的催化效果、低廉的价格以及对人体无危害,一直是催化燃烧领域的重要研究对象。本文以二茂铁作为燃料添加剂,研究其对丙烷氧气扩散火焰中碳烟颗粒生成的影响,测量了二茂铁对火焰温度、碳烟颗粒基本形貌特征、碳烟颗粒化学成分以及物理结构的影响。本文以铁的氧化物负载贵金属作为固体催化剂,研究其对碳烟颗粒的催化效果。首先,研究了二茂铁对火焰温度以及碳烟颗粒基本特性的影响。通过水浴加热的方式将二茂铁添加进丙烷氧气扩散火焰中;使用三色法测温装置测得添加二茂铁后,火焰温度在轴线方向上的分布;利用热泳取样原理在不同火焰位置处收集碳烟颗粒,并对其进行TEM、XRD、TGA测试分析。实验发现:在丙烷中添加二茂铁能够降低火焰温度,在火焰末端抑制燃烧效果最为明显,且随着二茂铁在丙烷中浓度的升高,温度下降更为显著。在火焰同一高度处,二茂铁对不同当量比的丙烷氧气火焰温度抑制效果并不相同,当量比为2.1时,温度下降达260 K,.当量比越大,温度下降越少。二茂铁在火焰中分离出铁原子,并与环境中的OH等自由基反应生成铁的氧化物,透射电镜实验表明碳烟颗粒以铁的氧化物为核进行生长,在火焰末端处,添加二茂铁后的碳烟颗粒直径比添加之前大一倍以上。热重实验分析表明,燃料中添加二茂铁能够提高碳烟颗粒的氧化活性,使其在低温下更容易被催化氧化。其次,研究了二茂铁对碳烟颗粒中主要有机物多环芳烃以及碳成键方式的影响。多环芳烃为碳烟颗粒形成的重要前躯体,通过超声萃取的方法将碳烟颗粒中的多环芳烃溶解在有机溶液中,使用气相色谱质谱对多环芳烃进行定性分析,确定芳烃的种类;使用气相色谱定量研究添加二茂铁前后芳烃质量的变化。结果表明:在燃料中添加二茂铁并不能改变碳烟颗粒中多环芳烃的种类,但是会使小分子的多环芳烃质量增加,大分子的多环芳烃质量减少,也就是说二茂铁抑制了火焰中多环芳烃的生长。此外,通过同步辐射装置对碳烟颗粒进行了近边吸收精细结构光谱分析,研究了二茂铁对碳烟颗粒中碳的成键方式以及含氧官能团的影响。结果表明二茂铁降低了碳烟中碳的π峰和σ峰比值,减少了碳烟中含氧官能团如酚类、酮类和羧基的形成,促进了脂肪族链烃的生成。再次,研究了二茂铁对碳烟颗粒纳观结构的影响。在MATLAB软件平台上,针对碳烟颗粒的高分辨透射电镜图像处理分析,编译了图像处理程序。通过对图像的负相变换、提高对比度、顶帽转换、二值化、骨架化、打断连接点和除去小的碎片等处理,提取到碳烟颗粒纳观结构的表征参数:微晶长度、碳层扭曲度和碳层间距,来表征二茂铁对碳烟颗粒纳观结构的影响。结果表明二茂铁使得碳层微晶长度减小,扭曲度和碳层间距增大,石墨化程度降低,这有利于碳烟在低温时的氧化。最后,制备了铁的氧化物负载贵金属催化剂,分别以紧接触和松接触的方式与碳烟颗粒混合,在热重分析仪上测试了他们对碳烟颗粒的催化效果,并且使用TEM、XPS和XRD等技术手段对催化剂进行了表征分析。结果表明铁的氧化物对碳烟颗粒有一定的催化效果,负载贵金属Au之后催化效果更好,碳烟转化温度能够降低100 ℃左右。由此可见,不管是以燃料添加的方式还是负载在过滤器上,铁基催化剂都对碳烟颗粒有着很好的催化效果。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X734.2;O643.36

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