應(yīng)用分享 | 532nm拉曼光譜儀在煤燃燒中的應(yīng)用
拉曼光譜作為***種快速、高精度、無損的分析工具，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(zhuǎn)化產(chǎn)物的有力工具。
熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程(tcp)為利用或轉(zhuǎn)化有價值的產(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(jié)構(gòu)，確定反應(yīng)過程中形成的化學(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***種分子振動光譜學(xué)，起源于非彈性散射(也稱為拉曼散射)。當(dāng)光照射在物質(zhì)上時，光子可以直接穿過分子而不發(fā)生相互作用，也可以被吸收或散射。在散射過程中，電子被照射到虛振動狀態(tài)，即不穩(wěn)定狀態(tài)，然后光子被迅速輻射出去。當(dāng)被輻射光子的頻率與被輻射光子的頻率相同時，發(fā)生瑞利散射。相反，會發(fā)生拉曼散射。當(dāng)輻射光子頻率低于被輻射光子頻率(紅移)時，這種散射過程稱為斯托克斯（Stokes）散射。反之，稱為反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(jié)構(gòu)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. 微觀結(jié)構(gòu)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(fù)雜化學(xué)結(jié)構(gòu)的混合物，原煤中存在烷烴、氧官能團、小芳環(huán)、交聯(lián)結(jié)構(gòu)連接的大芳環(huán)體系、小石墨微晶，甚至石墨結(jié)晶等結(jié)構(gòu)。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(gòu)造信息。煤階是決定煤在工業(yè)上應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)，它直接決定了煤的熱轉(zhuǎn)化過程。 2. 催化劑研究：通過原位拉曼光譜技術(shù)，可以研究催化劑（如Fe2O3、Ca(OH)2和K2CO3）在煤燃燒過程中的作用。研究表明，催化劑顯著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(yīng)的實時變化。 3. 實時監(jiān)測燃燒過程：使用原位拉曼光譜可以實時監(jiān)測煤炭燃燒過程中的中間產(chǎn)物和***終產(chǎn)物。例如，檢測燃燒過程中產(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(yīng)機制和優(yōu)化燃燒條件。拉曼光譜儀能夠在1秒內(nèi)同時測量多達13種工業(yè)上重要的氣體，且測量結(jié)果與紅外和質(zhì)譜儀的結(jié)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的氣體形成速率[3] 1. 實驗設(shè)置： 2. 數(shù)據(jù)處理：使用曲線擬合技術(shù)解析拉曼光譜，分離出D帶、G帶等特征峰。通過比較不同條件下的光譜數(shù)據(jù)，評估煤的結(jié)構(gòu)變化、燃燒反應(yīng)的動力學(xué)和催化劑的作用效果。 3. 定量分析：結(jié)合標準氣體校準，利用拉曼光譜儀對燃燒產(chǎn)生的氣體進行定量分析，實時監(jiān)測氣體濃度的變化，為優(yōu)化燃燒過程提供數(shù)據(jù)支持。 四、532 nm拉曼光譜儀在煤燃燒應(yīng)用中的優(yōu)點 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(jié)構(gòu)。 2. 實時監(jiān)測：能夠在線、原位實時監(jiān)測燃燒過程中產(chǎn)生的氣體和固體產(chǎn)物，提供及時的反應(yīng)機制信息。 3. 廣泛應(yīng)用：適用于多種煤樣品和燃燒條件，具有廣泛的應(yīng)用前景。通過這些***新的方法和技術(shù)，研究人員能夠更深入地理解煤燃燒過程中的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)和結(jié)構(gòu)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，提供了寶貴的實時數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)信息，有助于優(yōu)化燃燒技術(shù)和減少污染物排放。
(文章來源于儀器網(wǎng))
