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基于热力学模型的生物质焦孔隙结构的分形模型

发布时间:2020-03-12 12:50内容来源:网络整理 点击:

林晓芬

(福建船政交通职业学院,福建福州350007)

  摘要:用稻壳、法国梧桐树叶在不同热解条件下制得生物质焦样,通过压汞法获得生物质焦的孔隙结构实验数据,采用热力学模型对生物质焦的孔隙结构进行数学建模,并计算了相应的分形维数。计算结果表明,生物质焦的孔隙结构越复杂,分形维数越大。

  生物质焦指的是生物质原料在无氧或者缺氧的条件下,经过高温使其挥发分析出、固体残余物累积从而生成的固相产物,主要为固定碳和灰分两种物质成分[1]。生物质焦具有复杂的孔隙结构、较大的比表面积,表面含有较多的含氧活性基团,可以作为气体吸附剂。孔隙结构和表面化学特性对其吸附性能的影响很大,丰富的孔隙结构使其具有较强的物理吸附能力,而丰富的表面碱性官能团能显著提高其吸收酸性气体的能力[2]。生物质焦作为一种富含碳的多孔物质,与活性炭具有类似的性质,但是活性炭的生产成本比较高,因此可用生物质焦替代活性炭作为低成本吸附剂。目前国内外对生物质热解生产吸附剂有大量研究,结果表明生物质焦有潜力作为高效的吸附剂,具有广阔的应用前景[3]

  本实验采用稻壳、树叶(南京法国梧桐树)在不同热解条件下制得生物质焦样。采用压汞法获得了生物质焦的孔隙结构实验数据,利用分形理论建立孔隙结构的热力学分形模型[4-7]

  20世纪70年代法国数学家Mandebrot创立的分形理论,适用于描述和处理自然界不规则的复杂现象。多孔物质的孔隙结构具有局部与整体的自相似特点,可以用分形理论进行很好的描述。分形理论为研究多孔物质复杂的微观孔隙结构提供了新的思路和方法[8]

  分形维数是分形几何最重要的特征参数,能准确描述复杂集合的不规则程度、充满空间的程度或整体与局部的相关性。分形维数反映了多孔介质孔结构不规则的程度,其数值越大,则说明了孔结构的不规则程度越大。目前,测定多孔物质分形维数的方法主要有吸附法、压汞法和SEM图像分析法等[8]

  1生物质焦的热解条件和孔隙结构参数

  本实验中热解温度为400,600,850℃。加热方式分为慢速加热和快速加热2种。慢速加热是指将装好物料的坩埚放入电炉中,坩埚与电炉同时升温,由于电炉的热惯性,使得物料的加热速率较慢。快速加热是指先将加热电炉升温到预定温度后再将物料迅速放入加热电炉内,此时由于物料和电炉的温差很大,因此物料的加热速率较快。热解保持时间是指加热电炉在升到预定温度后,生物质物料在电炉中停留的时间。热解时的保持时间分别取10,20,30min。最后,将制得的焦样进行筛分,得到粒径1~3mm的焦样[9]。

  生物质焦的热解条件如表1所示。用压汞法获得的生物质焦的孔隙结构参数列于表2中。

  2热力学分形模型

  2.1分形拟和曲线

  研究人员发现在多孔物质的压汞实验中,多孔物质的进汞量与孔隙表面能存在着关联性,并提出热力学分形模型:在压汞过程中,随着压力的增大,进汞量逐渐增加,导致孔表面能不断升高。进汞量与孔表面能的关系见式(1)。

  2.2分形维数计算结果分析

  采用热力学模型计算生物质焦的分形维数,其分形拟合曲线如图1所示,计算结果如表3所示。

  从表3中可以看出,根据热力学分形模型计算得到的分形维数值在2.7~2.9之间。结果表明,所测焦样的分形维数普遍较高。图2(a)是稻壳比表面积与分形维数的关系图,从图中可以看到,总的来说,焦样的比表面积越大,焦样的分形维数越大。而稻壳的平均孔径却随着分形维数的增大而减小(见图3(a))。这是因为,比表面积越大,说明焦样的孔隙结构越丰富,所以分形维数也越大。而孔径较小的孔对比表面积的贡献较大。

  图2(b)是树叶比表面积与分形维数的关系图,从图中可以看到,总体来看,树叶焦样的比表面积越大,焦样的分形维数也越大。树叶的平均孔径随着分形维数的增大而减小,但这种趋势不如稻壳焦样明显(见图3(b))。

  3结论

  1)稻壳和树叶焦样的孔隙结构符合分形特征,根据压汞实验数据计算得到的分形维数值在2.75269~2.82836之间,置信度为0.99380~0.99941。

  2)稻壳和树叶焦样具有复杂的孔隙结构和较大的比表面积。其分形维数的变化与孔隙分布特征密切相关。生物质焦中的吸附孔越多,孔隙结构越复杂,孔径分布越不均匀,孔表面越粗糙,其分形维数越大。

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