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應用分享 | 532nm拉曼光譜儀在煤燃燒中的應用

2024-08-26 09:22:11

拉曼光譜作為***種快速、高精度、無(wú)損的分析工具,可用于分析從氣體到固體、從非原位到原位、從有機大分子到礦物的樣品。它已被證明是表征含碳固體燃料(CSFs)及其熱轉化產(chǎn)物的有力工具。

熱化學(xué)轉化過(guò)程(tcp)為利用或轉化有價(jià)值的產(chǎn)品或能源提供了主要的技術(shù)途徑,其***般包括熱解、液化、氣化和燃燒四種工藝技術(shù)。充分了解tcp的主要目標是優(yōu)化該過(guò)程,以提高效率并減少不需要的副產(chǎn)品?;静襟E是表征原料的結構,確定反應過(guò)程中形成的化學(xué)物質(zhì),并分析***終產(chǎn)物,這些都需要強大的分析方法。

拉曼光譜是***種分子振動(dòng)光譜學(xué),起源于非彈性散射(也稱(chēng)為拉曼散射)。當光照射在物質(zhì)上時(shí),光子可以直接穿過(guò)分子而不發(fā)生相互作用,也可以被吸收或散射。在散射過(guò)程中,電子被照射到虛振動(dòng)狀態(tài),即不穩定狀態(tài),然后光子被迅速輻射出去。當被輻射光子的頻率與被輻射光子的頻率相同時(shí),發(fā)生瑞利散射。相反,會(huì )發(fā)生拉曼散射。當輻射光子頻率低于被輻射光子頻率(紅移)時(shí),這種散射過(guò)程稱(chēng)為斯托克斯(Stokes)散射。反之,稱(chēng)為反Stokes散射。由于Stokes散射比反Stokes散射更強烈,因此通常以拉曼光譜的形式檢測Stokes散射,并用于CSFs的結構分析。拉曼光譜可以準確地檢測煤炭等含炭固體燃料的成分及燃燒狀態(tài)。

圖1. 煤的拉曼圖化學(xué)成像[1]


1. 微觀(guān)結構表征:532 nm拉曼光譜儀可以分析煤的成分、判斷煤的成熟度。煤是復雜化學(xué)結構的混合物,原煤中存在烷烴、氧官能團、小芳環(huán)、交聯(lián)結構連接的大芳環(huán)體系、小石墨微晶,甚至石墨結晶等結構。在原煤的拉曼光譜中,D和G波段是主要的,可以反映煤的特定構造信息。煤階是決定煤在工業(yè)上應用的關(guān)鍵參數,它直接決定了煤的熱轉化過(guò)程。


2. 催化劑研究:通過(guò)原位拉曼光譜技術(shù),可以研究催化劑(如Fe2O3、Ca(OH)2和K2CO3)在煤燃燒過(guò)程中的作用。研究表明,催化劑顯著(zhù)影響了煤的熱解和燃燒行為,拉曼光譜可以幫助捕捉這些催化反應的實(shí)時(shí)變化。

3. 實(shí)時(shí)監測燃燒過(guò)程:使用原位拉曼光譜可以實(shí)時(shí)監測煤炭燃燒過(guò)程中的中間產(chǎn)物和***終產(chǎn)物。例如,檢測燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的氣體(如H2、CO、CO2等)和固體顆粒的變化,這有助于理解燃燒反應機制和優(yōu)化燃燒條件。拉曼光譜儀能夠在1秒內同時(shí)測量多達13種工業(yè)上重要的氣體,且測量結果與紅外和質(zhì)譜儀的結果***致性較高。




表2. 氣體的拉曼帶和散射截面[2]


圖4. 四種煤炭樣品燃燒時(shí)的氣體形成速率[3]


1. 實(shí)驗設置:

使用532nm激光作為拉曼光譜儀的光源,配備顯微鏡、加熱臺和自動(dòng)化平臺,以實(shí)現微觀(guān)尺度的分析和高溫條件下的原位監測。 
將煤樣品放置在加熱臺上,通過(guò)顯微鏡聚焦激光到樣品表面。在燃燒過(guò)程中實(shí)時(shí)記錄拉曼光譜,分析不同溫度和條件下的結構變化。

2. 數據處理:使用曲線(xiàn)擬合技術(shù)解析拉曼光譜,分離出D帶、G帶等特征峰。通過(guò)比較不同條件下的光譜數據,評估煤的結構變化、燃燒反應的動(dòng)力學(xué)和催化劑的作用效果。 

3. 定量分析:結合標準氣體校準,利用拉曼光譜儀對燃燒產(chǎn)生的氣體進(jìn)行定量分析,實(shí)時(shí)監測氣體濃度的變化,為優(yōu)化燃燒過(guò)程提供數據支持。


四、532 nm拉曼光譜儀在煤燃燒應用中的優(yōu)點(diǎn) 

1. 高精度和非破壞性:拉曼光譜能夠以高精度、非破壞性的方式分析煤及其燃燒產(chǎn)物的化學(xué)和物理結構。

2. 實(shí)時(shí)監測:能夠在線(xiàn)、原位實(shí)時(shí)監測燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的氣體和固體產(chǎn)物,提供及時(shí)的反應機制信息。

3. 廣泛應用:適用于多種煤樣品和燃燒條件,具有廣泛的應用前景。通過(guò)這些***新的方法和技術(shù),研究人員能夠更深入地理解煤燃燒過(guò)程中的復雜化學(xué)反應和結構演變,有助于優(yōu)化燃燒技術(shù),提高能源利用效率,減少污染物排放。

總之,532nm拉曼光譜儀在煤炭燃燒研究中發(fā)揮了重要作用,提供了寶貴的實(shí)時(shí)數據和結構信息,有助于優(yōu)化燃燒技術(shù)和減少污染物排放。


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