粉煤灰基高溫復(fù)合相變蓄熱材料的制備

趙海東，張 咪，馬宏芳，賀格格，溫 帥

（山西大同大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山西大同037009）

粉煤灰基高溫復(fù)合相變蓄熱材料的制備

趙海東，張 咪，馬宏芳，賀格格，溫 帥

（山西大同大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山西大同037009）

復(fù)合相變蓄熱材料目前廣泛應(yīng)用在太陽能和工業(yè)余熱的回收方面，可解決在時(shí)間、空間上能源分配的失調(diào)，成為高溫相變蓄熱材料的最主要研究方向之一。我們以大同二電廠的垃圾粉煤灰為基體材料，預(yù)處理后與相變材料鋁粉一起采用混合燒結(jié)法制出鋁粉/粉煤灰基高溫復(fù)合相變蓄熱材料。采用XRD，SEM等測試分析技術(shù)對材料的組織結(jié)構(gòu)與熱物性能進(jìn)行表征，結(jié)果表明，粉煤灰基復(fù)合相變蓄熱材料成品各組分分布較均勻，具有十分優(yōu)良的成形性和燒結(jié)性。

蓄熱材料；粉煤灰；復(fù)合相變材料

目前全球能源所面臨的問題不僅僅是能源短缺，在能源的開發(fā)、二次開發(fā)及利用與能源的供給與需求之間存在著矛盾：如太陽能、風(fēng)能的階段性；工業(yè)廢熱、余熱的回收利用等。若這些能源能夠被很好地利用起來，那么能源的利用率必然大幅提高[1]。不斷發(fā)展的熱能存儲(chǔ)技術(shù)將在能源回收利用中發(fā)揮巨大作用。相變蓄熱材料利用其相變的潛熱來吸收或釋放熱量，這種蓄熱材料的蓄熱機(jī)理是材料發(fā)生固-液、液-氣等相變[2]。但由于它們的相變過程伴隨著大量氣體的產(chǎn)生，體積變化過大，所以實(shí)際應(yīng)用比較少。

復(fù)合蓄熱材料克服了傳統(tǒng)的固-固型和固-液型蓄熱材料的缺點(diǎn)，從而使蓄熱材料的功能及優(yōu)點(diǎn)得到發(fā)揮。復(fù)合材料在使用前后的形狀不會(huì)發(fā)生變化，會(huì)一直保持固體形態(tài)。它由2個(gè)構(gòu)成部分，在反應(yīng)過程中一部分發(fā)生相變，儲(chǔ)存或放出熱量，另一部分作為相變材料的構(gòu)架，維持材料固定形態(tài)，使相變材料相變時(shí)也不流動(dòng)，改善單一材料的機(jī)械性能，在減小了蓄熱裝置體積的同時(shí)，復(fù)合蓄熱材料構(gòu)成的蓄熱室熱效率也提高了30%[3-6]。

我們擬采用混合燒結(jié)法來制備粉煤灰基高溫復(fù)合相變蓄熱材料，以大同二電廠的垃圾粉煤灰為基體材料，預(yù)處理后與相變材料鋁粉一起采用混合燒結(jié)法制出鋁粉/粉煤灰基高溫復(fù)合相變蓄熱材料。采用XRD、SEM等測試分析技術(shù)對材料的組織結(jié)構(gòu)與熱物性能進(jìn)行表征，研究制備條件對蓄熱材料性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

原材料：鋁粉購自北京化工廠，鎂粉購自北京金盞化工廠，粉煤灰來自大同市二電廠，氧化鋁購自天津市化學(xué)試劑三廠，聚乙烯醇（PVA）購自北京化學(xué)藥品廠。

儀器：掃描電子顯微鏡（捷克TESCAN MAIA公司LMH型）；X-射線衍射儀（布魯克北京科技有限公司BRUKER D8 ADVANCE）；馬弗爐（鶴壁恒豐煤質(zhì)分析設(shè)備有限公司W(wǎng)K-500型）；粉末壓片機(jī)（上海晉膠高新有限公司XKY-600E）；干燥箱（上海醫(yī)療器械有限公司DZF系列）；電子秤（上海精科天美有限公司FA2204B）。

1.2 制備方法

稱取一定量的粉煤灰放于坩堝內(nèi)，將坩堝置于馬弗爐內(nèi)，600℃高溫下灼燒2 h，冷卻至室溫，充分燃燒未燃盡的碳和硫。將一定量的粉煤灰倒入燒杯，蒸餾水洗滌后用干燥箱干燥，然后再除去粉煤灰中的鐵。稱取10 g高溫處理粉煤灰與10 g鋁粉在研缽內(nèi)混合均勻，再加入5℃的PVA溶液研磨混合均勻，制得半干的原料。稱取一定量的原料用壓片機(jī)壓制成片后，放入馬弗爐內(nèi)高溫?zé)Y(jié)。溫度控制5℃/min至660℃，然后控制10℃/min至870℃，升溫至950℃燒制2 h后，冷卻至室溫，即得到鋁粉/粉煤灰基高溫復(fù)合相變蓄熱材料。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰高溫處理結(jié)果分析

用掃描電子顯微鏡對高溫處理前后的粉煤灰進(jìn)行表征，其SEM結(jié)果如圖1所示。

圖1 粉煤灰高溫處理前（a）后（b）掃描圖

可以看出，粉煤灰在處理前主要以球狀結(jié)構(gòu)為主（圖1a），球的尺寸在5～10 μm左右，經(jīng)過高溫?zé)坪蠓勖夯胰跃哂猩倭壳驙罱Y(jié)構(gòu)，但大部分球狀結(jié)構(gòu)破裂為片狀結(jié)構(gòu)（圖1b）。

2.2 粉煤灰基高溫復(fù)合相變蓄熱材料燒制前后結(jié)果分析

將制備粉煤灰基高溫復(fù)合相變蓄熱材料的各種原料混合均勻后，在燒制前后均采用SEM進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2。

可以看出，燒制前各原料只是簡單的混合在一起，可見粉煤灰單個(gè)球狀顆粒（圖2a所示），當(dāng)對混合原料進(jìn)行高溫?zé)坪?，球狀結(jié)構(gòu)基本消失，片狀產(chǎn)物占主導(dǎo)地位，表明燒制過程中發(fā)生了化學(xué)變化，所得復(fù)合蓄熱材料不再是簡單的混合物。

對高溫處理前后的粉煤灰基高溫復(fù)合相變蓄熱材料進(jìn)行X-射線粉末衍射（XRD）檢測，得到的圖譜如圖3所示。

圖3 復(fù)合相變蓄熱材料高溫處理前后的XRD譜圖

可以看出，燒制后含鋁高的莫來石的Al峰值大大降低，說明其相對含量減少，F(xiàn)e的相對含量也略有減少，表明燒制過程中有部分Al和Fe發(fā)生了相轉(zhuǎn)移，晶型發(fā)生了一定轉(zhuǎn)變。

2.3 成品形態(tài)分析

考察了粘結(jié)劑聚乙烯醇（PVA）對產(chǎn)物最終形態(tài)的影響，圖4中（a）圖為加入PVA溶液制得的成品圖，（b）圖為未加入PVA溶液的成品圖，觀察可得加入粘結(jié)劑PVA的原料燒結(jié)后能很好地保持壓制形態(tài)，但未加入PVA溶液的原料粘結(jié)度差，易破碎。

圖4 成品形態(tài)圖(a加入粘結(jié)劑，b未加入粘結(jié)劑)

3 結(jié)論

本文采用混合燒結(jié)的方法制備了粉煤灰基鋁粉蓄熱材料，采用SEM及XRD進(jìn)行表征，得到結(jié)論如下：

1）粉煤灰在經(jīng)過高溫?zé)坪蟠蟛糠智驙罱Y(jié)構(gòu)破裂為片狀結(jié)構(gòu)。

2）當(dāng)對混合原料進(jìn)行高溫?zé)坪?，產(chǎn)物為均勻的片狀結(jié)構(gòu)，表明燒制過程中發(fā)生了化學(xué)變化。

3）XRD結(jié)果表明燒制過程中有部分Al和Fe發(fā)生了相轉(zhuǎn)移，晶型發(fā)生了一定轉(zhuǎn)變。

4）加入粘結(jié)劑的原料易成型，燒制后能保持壓制形狀，反之成型難，燒制后易破碎。

[1]夏莉.復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的研制與潛熱儲(chǔ)能中熱物理現(xiàn)象的研究[D].上海:上海交通大學(xué),2011.

[2]朱教群,張炳,周衛(wèi)兵.儲(chǔ)熱材料的研究進(jìn)展及其應(yīng)用[J].能源工程，2007,12(3):48-52.

[3]王建宏.粉煤灰基高溫復(fù)合相變蓄熱材料的制備與性能研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2013.

[4]Olfat M S,Wafaa K M.Ca-montmorillonite clay as thermal energy storage material[J].Thermochimica Acta,2000,363(1):47-54.

[5]章為夷.混合燒結(jié)法在玻璃陶瓷制備中的應(yīng)用[J].硅酸鹽通報(bào),2011,30(5):1110-1113.

[6]馮惠生,徐菲菲,劉葉鳳，等.工業(yè)過程余熱回收利用技術(shù)研究進(jìn)展[J].化學(xué)工業(yè)與工程,2012,2(29):58-59.

The Preparation of High Temperature Composite Phase Change Heat Storage Material of Fly Ash

ZHAO Hai-dong,ZHANG Mi,MA Hong-fang,HE Ge-ge,WEN Shuai
(School of Chemistry and Chemical Engineering,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009)

The materials which have strongly heat storage capacity is called composite phase change heat storage materials.It can be applied in solar energy and recycling of industrial waste heat,for solving the problems in time,space,energy distribution imbalance.Now it has become one of the most important section of the high temperature phase change heat storage research.In this paper,high temperature composite phase change heat storage material is prepared by using mixed sintering method which use power plant waste fly ash as matrix material,and mixing together phase change materials,such as aluminium,making aluminium/fly ash.The influence of heat storage material is performed by XRD,SEM and other testing analysis technology.The results show that the distribution of the high temperature composite phase change heat storage materials of fly ash is very uniform,and it has very excellent formability and sin?tering performance.

heat storage materials;fly ash;composite phase change materials.

O611.62

A

1674-0874(2016)05-0038-03

2016-08-16

山西省高等學(xué)校科技創(chuàng)新項(xiàng)目[2015180];山西大同大學(xué)博士科研啟動(dòng)資助項(xiàng)目[2013-B-16];山西大同大學(xué)科學(xué)研究項(xiàng)目[2014K5];山西大同大學(xué)教研重點(diǎn)項(xiàng)目[2013108];山西大同大學(xué)教研項(xiàng)目[XJG2015209];山西大同大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目[XDC2015148]

趙海東(1980-)，男，山西懷仁人，博士，講師，研究方向：納米材料。

〔責(zé)任編輯 楊德兵〕