甲烷火焰中碳煙顆粒物理化學(xué)特性演化規(guī)律的研究.pdf

1、碳煙顆粒的排放對(duì)環(huán)境和人類社會(huì)都有極其深遠(yuǎn)的影響，因此必須對(duì)碳煙顆粒的排放進(jìn)行嚴(yán)格的控制。而控制碳煙顆粒排放的基礎(chǔ)是更深入地理解碳煙的生成和演化過程，從而探索更為行之有效的去除方法，指導(dǎo)實(shí)際的生產(chǎn)和應(yīng)用。本文在甲烷預(yù)混火焰和擴(kuò)散火焰中系統(tǒng)地探索了碳煙顆粒及其前驅(qū)物的演化過程，研究了碳煙顆粒物理化學(xué)特性的演化規(guī)律并討論了碳煙顆粒物理化學(xué)特性之間的關(guān)聯(lián)性。研究結(jié)果對(duì)深入認(rèn)識(shí)顆粒物的本質(zhì)、揭示顆粒物形成和演化機(jī)理以及演化過程中碳煙顆粒物理化學(xué)

2、特性的變化規(guī)律、發(fā)展顆粒物凈化去除技術(shù)等，具有重要的理論參考價(jià)值。主要的研究內(nèi)容和結(jié)果包括：
　　在McKenna燃燒器火焰試驗(yàn)平臺(tái)（包括預(yù)混火焰和擴(kuò)散火焰）的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了熱泳取樣、毛細(xì)管取樣以及石英微探針取樣三套獨(dú)立的系統(tǒng)來取樣火焰在不同高度處生成的碳煙顆粒，并通過透射電子顯微鏡（TEM）、氣相色譜質(zhì)譜（GC-MS）、傅里葉紅外光譜儀（FT-IR）、X射線能譜儀（XPS）、拉曼光譜儀（RS）、同步熱分析儀（TGA）等設(shè)備分析碳

3、煙顆粒的物理化學(xué)特性。
　　通過對(duì)TEM照片的分析，區(qū)分并描述了碳煙顆粒在甲烷火焰中的演化歷程。結(jié)果表明對(duì)于甲烷預(yù)混和擴(kuò)散火焰，碳煙顆粒的演化歷程均包括成核、表面生長、團(tuán)聚、碳化（老化）和氧化。
　　通過GC-MS分析，對(duì)甲烷火焰中碳煙顆粒成核區(qū)域的多環(huán)芳香烴的濃度進(jìn)行了測(cè)量和分析，共探測(cè)到7種多環(huán)芳香烴（從C10到C16，分子量從128到228），分別是萘、苊烯、苊，蒽，熒蒽，菲和芴。隨著分子量的增加，多環(huán)芳香烴濃度峰值對(duì)

4、應(yīng)的火焰高度（HAB）更高。萘和苊烯始終是最多的多環(huán)芳香烴。
　　通過對(duì)TEM照片的圖像化處理和RS分析，獲得了碳煙顆粒納觀結(jié)構(gòu)參數(shù)以及石墨化程度隨HAB的變化規(guī)律。結(jié)果表明：對(duì)于預(yù)混和擴(kuò)散火焰，隨著HAB的增加，基本碳煙顆粒微晶尺寸逐漸增加，而層間距和曲率均有所降低，聚集態(tài)碳煙顆粒分形維數(shù)呈先升高后降低的趨勢(shì)，且分形維數(shù)的值在1.53-1.92之間。表征碳煙顆粒石墨化程度的參數(shù)AD1/AG隨著HAB的增加逐漸增加，石墨化程度逐漸

5、升高，表明碳煙顆粒的演化是一個(gè)不斷趨向于石墨化的過程。擴(kuò)散火焰中碳煙顆粒基本碳粒子的微晶尺寸、聚集態(tài)碳煙顆粒的分形維數(shù)均要高于富燃料預(yù)混火焰中碳煙顆粒。
　　通過FT-IR和XPS分析，獲得了碳煙顆粒表面官能團(tuán)隨HAB的變化規(guī)律，結(jié)果表明：對(duì)于預(yù)混和擴(kuò)散火焰，隨著HAB的增加，F(xiàn)T-IR表征的碳煙顆粒表面脂肪族C-H官能團(tuán)呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，芳香族C-H官能團(tuán)逐漸增加，芳香族碳?xì)涔倌軋F(tuán)和脂肪族碳?xì)涔倌軋F(tuán)的比值（AAromati

6、c/AAliphatic）呈先降低后升高的趨勢(shì)。而XPS表征的sp雜化碳含量、sp2和sp3雜化碳的比值、表面含氧官能團(tuán)如羰基和羥基官能團(tuán)隨著HAB的增加也是呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。這些結(jié)論均表明在碳煙顆粒的表面生長為主導(dǎo)的階段，表面脂肪族C-H官能團(tuán)和含氧官能團(tuán)均起著相當(dāng)重要的作用。
　　通過TGA分析，獲得了碳煙顆粒氧化反應(yīng)表征參數(shù)隨HAB的變化規(guī)律，結(jié)果表明：表觀活化能Ea隨著HAB的增加呈先降低后升高的趨勢(shì)，其值介于108

7、.26-170.40KJ?mol-1之間，證明碳煙顆粒的氧化活性在演化過程中先增加后降低，在碳煙顆粒表面生長為主導(dǎo)的階段達(dá)到最高值。
　　此外，燃燒參數(shù)包括燃空當(dāng)量比和火焰溫度以及可溶性有機(jī)物（SOF）含量對(duì)碳煙顆粒物理化學(xué)特性以及氧化活性的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：隨著最大火焰溫度和燃空當(dāng)量比的升高，微晶尺寸增加，微晶曲率和層間距逐漸降低，石墨化程度增加，表面脂肪族C-H官能團(tuán)和含氧官能團(tuán)的含量基本呈逐漸降低的趨勢(shì)，碳煙顆粒的氧

8、化活性降低；去除SOF的純碳煙顆粒石墨化程度高于不去除SOF的碳煙顆粒。SOF對(duì)碳煙顆粒表面官能團(tuán)隨HAB變化的規(guī)律基本沒有影響，但降低了碳煙顆粒表面脂肪族C-H官能團(tuán)和含氧官能團(tuán)的含量。去除SOF之后的碳煙顆粒的氧化活性低于不去除SOF的碳煙顆粒。
　　基于以上數(shù)據(jù)，對(duì)碳煙顆粒物理化學(xué)特性表征參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，其結(jié)果表明：石墨化程度和微晶尺寸之間存在正的線性關(guān)聯(lián)性。微晶尺寸越長，石墨化程度越大。石墨化程度與AAromatic/