使用磁旋轉(zhuǎn)電弧等離子體發(fā)生器產(chǎn)生均勻的高溫?zé)嵩?通過熱解碳?xì)浠衔镏苽淞颂亢陬w粒。利用透射電子顯微鏡（TEM）圖像,表征了炭黑聚集體的形貌,計算了聚集體的分形維數(shù)、粒度分布和平均粒徑,研究了反應(yīng)溫度和原料對炭黑聚集體形貌和微觀物理特性的影響。研究結(jié)果顯示,在1 500 K較低溫度下所有熱解產(chǎn)物均為球形碳顆粒;隨著溫度的升高,初級粒子粒徑減小,分形維數(shù)變大,聚集體形態(tài)變復(fù)雜;甚至在約2 500 K高溫下在甲烷和乙烯的熱解產(chǎn)物中出現(xiàn)石墨烯片層。分析認(rèn)為,溫度和原料影響了初級粒子的成核速率、表面生長和碰撞團(tuán)聚等過程,從而決定了聚集體的最終形貌。 

【文章來源】：工業(yè)加熱. 2020,49(02)

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

熱等離子體裂解CH4/C2H4/C2H2的實驗裝置示意圖

每次實驗之前使用氬氣等離子體對反應(yīng)器預(yù)熱40min，以使反應(yīng)器達(dá)到穩(wěn)態(tài)。反應(yīng)物在反應(yīng)器內(nèi)停留時間約為40～60 ms。在反應(yīng)器預(yù)熱后使用R型鉑銠熱電偶測量反應(yīng)器內(nèi)的溫度分布(忽略徑向的溫度梯度)如圖3所示。反應(yīng)器入口(z=0)處對應(yīng)等離子體功率為1.0、1.8和2.8 k W的熱力學(xué)平衡溫度分別為1 500、2 100和2 500 K，距離反應(yīng)器z=15 mm處的熱電偶測量溫度(星號(☆))分別為1 250、1 537和1 901 K，低于反應(yīng)器入口溫度計算值分別為250、563和599 K，其原因可能來自等離子體熱損耗、熱電偶熱輻射損耗、熱電偶傳熱損耗等。從測量的結(jié)果可以看出，不同等離子體功率下反應(yīng)器內(nèi)溫度分布有明顯差異，在反應(yīng)器入口處溫度衰減較快。1.3 聚集體形態(tài)分析方法

傳統(tǒng)炭黑大多數(shù)是使用碳?xì)浠衔镌贤ㄟ^不完全燃燒(如爐法、槽法)方法、或熱裂法(如乙炔自熱裂解、天然氣外熱裂解)制造。近年來等離子體熱解碳?xì)浠衔镏苽涮疾牧鲜艿綇V泛關(guān)注，其研究報道日漸增多。與傳統(tǒng)工藝相比，等離子體法生產(chǎn)炭黑具有碳收率高、能量效率高、排放大量減少等優(yōu)勢[5];同時由于等離子體的高溫、高化學(xué)活性，及可選擇惰性、氧化或還原氣氛，除了可生產(chǎn)和傳統(tǒng)工藝相同的聚集體形態(tài)的炭黑，還能制備出更多不同結(jié)構(gòu)形態(tài)的新型碳材料，如富勒烯、石墨烯、碳管、碳蔥、碳納米角等[6-8]。這些新型材料具有更優(yōu)異、特殊的性能，較傳統(tǒng)炭黑具有更大應(yīng)用價值。熱等離子體具有比火焰更高的溫度和焓值:一方面使傳熱和化學(xué)反應(yīng)速率顯著提高;另一方面等離子體能量高度集中，反應(yīng)區(qū)參數(shù)梯度大，流動、傳熱、傳質(zhì)過程更為迅速和復(fù)雜。因此對于等離子體方法制備材料存在巨大挑戰(zhàn)。夏維東等[9]設(shè)計了直流電弧等離子體熱解乙烯焦油裝置，并獲得微觀結(jié)構(gòu)與乙炔炭黑相似的導(dǎo)電炭黑。Zielinski等[10]采用三相交流滑動電弧，以多種烴類為原料制備炭黑，并證明其炭黑產(chǎn)品可作為工程塑料的良好添加劑。Chen等[11]通過理論計算不同溫度下，不同碳?xì)潴w系裂解產(chǎn)物的組分分布，得到熱解甲烷制備炭黑的合適溫度(1 200～2 000 K)。Tian等[12]利用微波等離子體裂解甲烷制備碳納米材料，獲得了炭黑以及少量石墨烯。Yuan等[13]通過非熱交流電弧放電裂解丙烷得到導(dǎo)電炭黑。雖然等離子體制備炭黑的研究已多年，等離子體法炭黑的顆粒聚集體形態(tài)及其影響因素仍未有過系統(tǒng)的研究。因此，研究熱等離子體熱解碳?xì)浠衔锕に嚄l件下炭黑聚集體結(jié)構(gòu)形態(tài)及其與等離子體參數(shù)的關(guān)系，理解熱等離子體工藝條件下炭黑成核生長過程，有助于生產(chǎn)中對炭黑聚集體結(jié)構(gòu)形態(tài)控制，促進(jìn)等離子體法生產(chǎn)炭黑工業(yè)化生產(chǎn);同時也增加對無氧條件下炭黑形成過程的理解，豐富炭黑研究的科學(xué)內(nèi)容。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]等離子體法炭黑工藝與爐法炭黑工藝的?對比分析[J]. 崔海超,陳仙輝,王城,夏維東.  化工學(xué)報. 2018(07)
[2]熱等離子體法裂解碳?xì)浠衔镏苽涮亢诘臒崃W(xué)研究[J]. 陳莉莉,洪若瑜,李洪鐘.  計算機(jī)與應(yīng)用化學(xué). 2007(06)
[3]等離子體熱解焦油制備導(dǎo)電炭黑[J]. 夏維東,萬樹德,王大志,汪海,丁麗俐,李輝,馬強(qiáng).  中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報. 2003(05)



本文編號：3026319