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English| 發(fā)布日期：2024-09-21 |
拉曼光譜作為一種快速、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(jī)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(jià)值的產(chǎn)品或能源提供了主要的技術(shù)途徑，其一般包括熱解、液化、氣化和燃燒四種工藝技術(shù)。充分了解tcp的主要目標(biāo)是優(yōu)化該過程，以提高效率并減少不需要的副產(chǎn)品。基本步驟是表征原料的結(jié)構(gòu)，確定反應(yīng)過程中形成的化學(xué)物質(zhì)，并分析最終產(chǎn)物，這些都需要強(qiáng)大的分析方法。拉曼光譜是一種分子振動(dòng)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(shí)，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(dòng)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(shí)，發(fā)生瑞利散射。相反，會(huì)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(shí)，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(qiáng)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(zhǔn)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]
2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置
使用532nm激光作為拉曼光譜儀的光源，配備顯微鏡、加熱臺(tái)和自動(dòng)化平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)微觀尺度的分析和高溫條件下的原位監(jiān)測。 將煤樣品放置在加熱臺(tái)上，通過顯微鏡聚焦激光到樣品表面。在燃燒過程中實(shí)時(shí)記錄拉曼光譜，分析不同溫度和條件下的結(jié)構(gòu)變化。
2.2 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(píng)估煤的結(jié)構(gòu)變化、燃燒反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)和催化劑的作用效果。
2.3 定量分析
結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)，利用拉曼光譜儀對(duì)燃燒產(chǎn)生的氣體進(jìn)行定量分析，實(shí)時(shí)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。
2.4 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(tuán)、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。
表1 從石墨到非晶碳樣品的拉曼帶描述
圖2 煤一階拉曼光譜曲線擬合[3]
圖3. D1和G波段頻寬和位置隨溫度的變化；(a) D1波段頻寬；(b) G波段頻寬；(c) D1波段位置；(d) G帶位置[3]。
2.5 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(shí)時(shí)變化。
2.6 實(shí)時(shí)監(jiān)測燃燒過程
使用原位拉曼光譜可以實(shí)時(shí)監(jiān)測煤炭燃燒過程中的中間產(chǎn)物和最終產(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(jī)制和優(yōu)化燃燒條件。拉曼光譜儀能夠在1秒內(nèi)同時(shí)測量多達(dá)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)果一致性較高。
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(shí)的氣體形成速率[3]
(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(shí)時(shí)監(jiān)測：能夠在線、原位實(shí)時(shí)監(jiān)測燃燒過程中產(chǎn)生的氣體和固體產(chǎn)物，提供及時(shí)的反應(yīng)機(jī)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。通過這些最新的方法和技術(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(shí)時(shí)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。
Portman 785便攜式拉曼光譜儀
1. 產(chǎn)品簡介
Portman便攜式拉曼光譜儀配置了一款適用于拉曼光譜檢測的光纖光譜儀，相比傳統(tǒng)的785 nm拉曼光譜儀，Portman的靈敏度得到很大的提升，能夠檢測到細(xì)胞級(jí)別的微弱拉曼信號(hào)。適用于對(duì)原材料的篩選、現(xiàn)場檢測、石墨烯合成反應(yīng)、生物醫(yī)療、體外診斷及物質(zhì)分析鑒定等場景；使用方便，操作簡單。檢測結(jié)果客觀準(zhǔn)確。客戶可根據(jù)應(yīng)用需求選擇最適合的產(chǎn)品。
2. 產(chǎn)品特點(diǎn)
? 檢測范圍廣：200-3000 cm-1；
? 信號(hào)靈敏度高，可分辨硅片的二階峰；
? 能測出雞肉脂肪細(xì)胞信號(hào)；
? 高度集成，輕巧便捷；
? 高穩(wěn)定性。
