粉煤灰基高温复合相变蓄热材料的制备

赵海东，张 咪，马宏芳，贺格格，温 帅

（山西大同大学化学与环境工程学院，山西大同037009）

粉煤灰基高温复合相变蓄热材料的制备

赵海东，张 咪，马宏芳，贺格格，温 帅

（山西大同大学化学与环境工程学院，山西大同037009）

复合相变蓄热材料目前广泛应用在太阳能和工业余热的回收方面，可解决在时间、空间上能源分配的失调，成为高温相变蓄热材料的最主要研究方向之一。我们以大同二电厂的垃圾粉煤灰为基体材料，预处理后与相变材料铝粉一起采用混合烧结法制出铝粉/粉煤灰基高温复合相变蓄热材料。采用XRD，SEM等测试分析技术对材料的组织结构与热物性能进行表征，结果表明，粉煤灰基复合相变蓄热材料成品各组分分布较均匀，具有十分优良的成形性和烧结性。

蓄热材料；粉煤灰；复合相变材料

目前全球能源所面临的问题不仅仅是能源短缺，在能源的开发、二次开发及利用与能源的供给与需求之间存在着矛盾：如太阳能、风能的阶段性；工业废热、余热的回收利用等。若这些能源能够被很好地利用起来，那么能源的利用率必然大幅提高[1]。不断发展的热能存储技术将在能源回收利用中发挥巨大作用。相变蓄热材料利用其相变的潜热来吸收或释放热量，这种蓄热材料的蓄热机理是材料发生固-液、液-气等相变[2]。但由于它们的相变过程伴随着大量气体的产生，体积变化过大，所以实际应用比较少。

复合蓄热材料克服了传统的固-固型和固-液型蓄热材料的缺点，从而使蓄热材料的功能及优点得到发挥。复合材料在使用前后的形状不会发生变化，会一直保持固体形态。它由2个构成部分，在反应过程中一部分发生相变，储存或放出热量，另一部分作为相变材料的构架，维持材料固定形态，使相变材料相变时也不流动，改善单一材料的机械性能，在减小了蓄热装置体积的同时，复合蓄热材料构成的蓄热室热效率也提高了30%[3-6]。

我们拟采用混合烧结法来制备粉煤灰基高温复合相变蓄热材料，以大同二电厂的垃圾粉煤灰为基体材料，预处理后与相变材料铝粉一起采用混合烧结法制出铝粉/粉煤灰基高温复合相变蓄热材料。采用XRD、SEM等测试分析技术对材料的组织结构与热物性能进行表征，研究制备条件对蓄热材料性能的影响。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

原材料：铝粉购自北京化工厂，镁粉购自北京金盏化工厂，粉煤灰来自大同市二电厂，氧化铝购自天津市化学试剂三厂，聚乙烯醇（PVA）购自北京化学药品厂。

仪器：扫描电子显微镜（捷克TESCAN MAIA公司LMH型）；X-射线衍射仪（布鲁克北京科技有限公司BRUKER D8 ADVANCE）；马弗炉（鹤壁恒丰煤质分析设备有限公司WK-500型）；粉末压片机（上海晋胶高新有限公司XKY-600E）；干燥箱（上海医疗器械有限公司DZF系列）；电子秤（上海精科天美有限公司FA2204B）。

1.2 制备方法

称取一定量的粉煤灰放于坩埚内，将坩埚置于马弗炉内，600℃高温下灼烧2 h，冷却至室温，充分燃烧未燃尽的碳和硫。将一定量的粉煤灰倒入烧杯，蒸馏水洗涤后用干燥箱干燥，然后再除去粉煤灰中的铁。称取10 g高温处理粉煤灰与10 g铝粉在研钵内混合均匀，再加入5℃的PVA溶液研磨混合均匀，制得半干的原料。称取一定量的原料用压片机压制成片后，放入马弗炉内高温烧结。温度控制5℃/min至660℃，然后控制10℃/min至870℃，升温至950℃烧制2 h后，冷却至室温，即得到铝粉/粉煤灰基高温复合相变蓄热材料。

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰高温处理结果分析

用扫描电子显微镜对高温处理前后的粉煤灰进行表征，其SEM结果如图1所示。

图1 粉煤灰高温处理前（a）后（b）扫描图

可以看出，粉煤灰在处理前主要以球状结构为主（图1a），球的尺寸在5～10 μm左右，经过高温烧灼后粉煤灰仍具有少量球状结构，但大部分球状结构破裂为片状结构（图1b）。

2.2 粉煤灰基高温复合相变蓄热材料烧制前后结果分析

将制备粉煤灰基高温复合相变蓄热材料的各种原料混合均匀后，在烧制前后均采用SEM进行分析，结果如图2。

可以看出，烧制前各原料只是简单的混合在一起，可见粉煤灰单个球状颗粒（图2a所示），当对混合原料进行高温烧制后，球状结构基本消失，片状产物占主导地位，表明烧制过程中发生了化学变化，所得复合蓄热材料不再是简单的混合物。

对高温处理前后的粉煤灰基高温复合相变蓄热材料进行X-射线粉末衍射（XRD）检测，得到的图谱如图3所示。

图3 复合相变蓄热材料高温处理前后的XRD谱图

可以看出，烧制后含铝高的莫来石的Al峰值大大降低，说明其相对含量减少，Fe的相对含量也略有减少，表明烧制过程中有部分Al和Fe发生了相转移，晶型发生了一定转变。

2.3 成品形态分析

考察了粘结剂聚乙烯醇（PVA）对产物最终形态的影响，图4中（a）图为加入PVA溶液制得的成品图，（b）图为未加入PVA溶液的成品图，观察可得加入粘结剂PVA的原料烧结后能很好地保持压制形态，但未加入PVA溶液的原料粘结度差，易破碎。

图4 成品形态图(a加入粘结剂，b未加入粘结剂)

3 结论

本文采用混合烧结的方法制备了粉煤灰基铝粉蓄热材料，采用SEM及XRD进行表征，得到结论如下：

1）粉煤灰在经过高温烧灼后大部分球状结构破裂为片状结构。

2）当对混合原料进行高温烧制后，产物为均匀的片状结构，表明烧制过程中发生了化学变化。

3）XRD结果表明烧制过程中有部分Al和Fe发生了相转移，晶型发生了一定转变。

4）加入粘结剂的原料易成型，烧制后能保持压制形状，反之成型难，烧制后易破碎。

[1]夏莉.复合相变储能材料的研制与潜热储能中热物理现象的研究[D].上海:上海交通大学,2011.

[2]朱教群,张炳,周卫兵.储热材料的研究进展及其应用[J].能源工程，2007,12(3):48-52.

[3]王建宏.粉煤灰基高温复合相变蓄热材料的制备与性能研究[D].西安:西安建筑科技大学,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]章为夷.混合烧结法在玻璃陶瓷制备中的应用[J].硅酸盐通报,2011,30(5):1110-1113.

[6]冯惠生,徐菲菲,刘叶凤，等.工业过程余热回收利用技术研究进展[J].化学工业与工程,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

山西省高等学校科技创新项目[2015180];山西大同大学博士科研启动资助项目[2013-B-16];山西大同大学科学研究项目[2014K5];山西大同大学教研重点项目[2013108];山西大同大学教研项目[XJG2015209];山西大同大学大学生创新创业项目[XDC2015148]

赵海东(1980-)，男，山西怀仁人，博士，讲师，研究方向：纳米材料。

〔责任编辑 杨德兵〕