热重分析综述

1、热重分析技术应用综述摘要：热分析技术的方法较多，常用的热分析方法有：差式扫描量热法，差式热分析等，本文将着重描述热重分析法近年来在金属冶炼工业，生物质能源，森林自然现象，环境保护上的应用的应用情况。关键词：热重分析，环境保护，生物质能 0前言热分析技术的发展历史悠久，早在古埃及时代就已有热重法的雏形，真正将物理变化与热联系起来，还是在1780年英国Higgins在实验室加热石灰过程中第一次用天平测量其重量变化开始，到1786年英国Wedgnood在研究粘土时测得了第一条热重曲线，1899年DTA问世，1915年，日本物理学家Honda发明热重分析仪TG，60年代初，自动化热天平和功率补偿式DS

2、C（PC-DSC）成为商品，至今热分析技术已广泛应用于物理，化学，石油，化工，建材，橡胶，生化，高分子合成，食品，地球化学等领域，形成一门独立的学科，热分析技术是研究物质在加热或者冷却过程中发生某些物理化学变化和化学变化的技术，国际热分析和量热协会命名委员对热分析定义为：控制温度下，测量物质和温度关系的一类技术，热分析技术的方法较多，常用的热分析方法有：差式扫描量热法，差式热分析等，本文将着重描述热重分析法近年来在金属冶炼工业，生物质能源，森林自然现象，环境保护上的应用，并将以具体事例给出。1热重分析技术在冶炼金属行业中MgSO4金属残渣热分解应用硫酸镁是金属冶炼过程中所产生的大量的金属废渣，

3、其废渣的酸性很强，对环境的污染严重，早在1993年，欧盟明确禁止硫酸镁废渣的大量排放，Madeleine N. Scheidema等人研究了MgSO4在不同气氛条件下的热降解的热力学行为，为其热降解保持在较低的能耗，减少因为排放带来的环境污染的问题，并为所得的热降解产品得到了循环利用的特点。式1还原气氛下的热降解方程图1 还原气氛下的热降解曲线式2 惰性条件下的热降解方程图2 惰性条件下的热降解曲线比较所得，通过添加还原性气体参与MgSO4的热分解，其一有效降低了完全分解为氧化镁和二氧化硫的温度，降低分解能耗，其二有效的利用于湿法冶金过程中产生的含有大量硫酸镁的硫酸废渣的分解，分解产生的二氧化

4、硫可以制备硫酸，其氧化镁用途更广泛。2热重分析技术在生物酶残渣与城市固体废料共燃烧中的应用工业发展伴随着大量危险废料的产生，共燃烧在处理工业废料中扮演越来越重要的角色，生物酶是生物抗生素生产过程中的副产品，废渣产量大，且对环境的危害严重，Xuguang Jiang等人研究了生物酶残渣的热分解行为，并且与城市固体废料的热分解行为做对比，发现添加生物酶残渣的原料和不添加生物酶残渣的固体废料，其系统整体热分解行为没有受到明显的影响，污染物的排放达到国家标准。图3生物酶残渣在燃烧气氛和惰性气氛下的热分解曲线如图示3所示两个气氛下的热分解有明显的两个过程，在燃烧气氛中存在无机物的氧化，所以在400-60

5、0生物酶渣的热降解速率慢，最终所得其热分解过程与城市固体废料所分析的相似，低温状态下，惰性气氛的热分解和燃烧过程相同，氧气的存在有利于高温时酶渣的重量损失。对于共燃烧的指导是高温状态下鼓入充分的氧气。3热重分析技术在咖啡渣生物能源催化热降解上的应用生物质能作为一种可再生能源，越来越引起人们的重视。Tao Kan, Vladimir Strezov等人对咖啡渣作为生物能源进行了研究，以NiCu（Cu含量变化）/-Al2O3 catalysts为催化剂，通过改变铜的含量，观察对咖啡渣生物热降解的影响，以及控制升温速度，观察对咖啡渣热降解的影响，并通过与傅立叶红外相结合，观察热分解过程中所产生的物质

6、以及对燃料气体的产量进行测量。图4 咖啡渣的热降解曲线如图示4所示升温速度越高，TG曲线（虚线）向高温偏移，是因为较慢的热扩散速度。催化剂中Cu含量多少对热分解曲线没有影响，加了催化剂的热分解比起没有加催化剂的热分解更能促进碳的消耗反应（碳气化），增加燃料气体产量。4热重分析技术在森林泥煤阴燃自然现象的研究森林当中泥煤（植物腐殖土）在土壤表层和在土壤深层存在不同的热降解行为，其分别对应于热重分析技术中的氧化气氛和惰性气氛，Haixiang Chen等人利用热重分析技术模拟表层和深层的森林泥煤在自然中的热降解行为，有利于人们对自然现象的了解与认识。图5森林泥煤在惰性环境下的热降解曲线如图示5所示

7、在氮气的惰性环境下，森林泥煤的热降解过程主要分为三步，430K以前主要是由于水蒸气的挥发所产生热失重，第二部的热分解发生在430-800K，在这个阶段，泥煤有机成分发生分解以及所产生的挥发物被气流带走产生热失重，在770K，样品的热失重速率减慢，表明有机成分的分解过程的结束，这个过程的总失重率达到74%，表明泥煤中存在丰富的有机成分。第三次失重是从800K开始，但是森林泥煤的阴燃温度远小于800K，这里第三阶段不做讨论。图6 森林泥煤在氧气气氛下的热降解曲线如图示6所示在氧气的气氛下，泥煤的热失重分为三个阶段，430K以前属于水蒸气的热蒸发，第二次热失重发生在427-575K，第二次热失重占到

8、的质量是总泥煤质量的68%，并伴随着强烈的放热，这个阶段泥煤有机成分分解成挥发物和碳残渣，包括所产生易燃挥发物的氧化。第三阶段发生在580-800，这个阶段热失重较小，主要是碳残渣的氧化和热释放。超过800K，这里不予以讨论。最后得出的结论是泥煤的燃烧过程是深受氧气环境的影响。5热重分析技术在其它方面的具体应用低温煤焦油是含有高挥发性组分粘结性煤低温碳化的副产物。其热分解过程中会产生很多饱和烃和芳香烃，在能源有效循环利用中扮演着很重要的角色作用。Mingsun等人研究了低温煤焦油石油醚提取残渣（类似沥青）热分解行为，并配合FTIR技术对煤焦油石油醚提取残渣热分解过程的物质变化进行跟踪。图7 煤

9、焦油石油醚提取残渣热分解示意图如图7所示，在315，热失重速率最大，热分解过程中所发生的破裂/重组反应产生主要以气体形式的小分子，重量轻的挥发物，导致样品失重。R López, C Fernández等人利用热重分析技术研究木质素材料在N2/O2 和 CO2/O2气氛中的燃烧的热失重行为。这项工作有助于全面的了解木质素纤维的燃烧和城市固体废料燃烧的发展。参考文献1Scheidema M N, Taskinen P. Decomposition thermodynamics of magnesium sulfateJ. Industrial & Engineering

10、 Chemistry Research, 2011, 50(16): 9550-9556.2Jiang X, Feng Y, Lv G, et al. Bioferment Residue: TG-FTIR Study and Cocombustion in a MSW Incineration PlantJ. Environmental science & technology, 2012, 46(24): 13539-13544.3Kan T, Strezov V, Evans T. Catalytic Pyrolysis of Coffee Grounds Using NiCu-

11、Impregnated CatalystsJ. Energy & Fuels, 2013.4 Chen H, Zhao W, Liu N. Thermal analysis and decomposition kinetics of Chinese forest peat under nitrogen and air atmospheresJ. Energy & Fuels, 2011, 25(2): 797-803.5 Sun M, Ma X X, Yao Q X, et al. GC-MS and TG-FTIR study of petroleum ether extract and residue from low temperature coal tarJ. Energy & Fuels, 2011, 25(3): 1140-1145.6 López R, Fernández C, Gómez X, e