铁尾矿多孔陶瓷/石蜡复合相变储能材料的制备与性能研究

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导师姓名
周洋
学科专业
载运工具运用工程
文献出处
北京交通大学   2019年
关键词
铁尾矿论文  石蜡论文  多孔陶瓷论文  石墨烯论文  复合相变材料论文  热物理性能论文  热能储存论文  工业废物回收再利用论文
论文摘要

钢铁生产中产生的铁尾矿是一种工业废弃物,其中泥状细颗粒铁尾矿是尾矿中目前基本无法利用的部分,大多筑坝堆存,造成了经济、环境和健康等多方面的问题。本论文以北京密云地区泥状细颗粒铁尾矿为原料制备多孔陶瓷,再以其为载体,成功制备了铁尾矿多孔陶瓷/石蜡复合相变储能材料以及添加石墨烯的导热增强型复合相变储能材料,并对相变储能材料的制备工艺、力学性能、热物理性能及传热过程等应用基础问题进行了深入的研究。全文分七章分别阐述了尾矿资源化利用现况和相变储能材料的研究背景与发展现状、实验材料及方法、铁尾矿的烧结过程及机理、铁尾矿多孔陶瓷的制备及性能测试、铁尾矿多孔陶瓷/石蜡复合相变储能材料的制备及其热物理性能分析、添加石墨烯的导热增强型复合相变储能材料的制备与性能研究以及全文总结。以铁尾矿为原料制备高性能相变储能材料对于节能环保、减少工业污染具有重要的意义。本文通过X射线衍射分析、扫描电镜等手段探究了北京密云地区细颗粒铁尾矿的化学成分、物相组成、粒度分布以及高温下的物相变化过程与机理。结果表明,密云细颗粒铁尾矿的物相组成十分复杂,其主晶相为石英,其余包括黏土矿物相蒙脱石、斜绿泥石、伊利石以及少量的长石、方解石等。在低于963℃的烧结前期,α-石英转变为β-石英,黏土矿物绿泥石、伊利石转变为非晶态,蒙脱石分解;900℃时有正长石、微斜长石和赤铁矿生成;在963℃以上的烧结阶段,正长石、微斜长石与石英、铝硅酸盐首先形成低共熔液相,促进坯体的烧结致密化,在1000℃~1120℃区间生成透辉石、普通辉石、钙长石等新相,石英相含量则随烧结温度升高而减少。该铁尾矿适宜的烧结温度区间为1070℃-1120℃。以泥状细颗粒铁尾矿为原料,采用泡沫注凝成型技术,制备出孔隙率可控、机械强度高的铁尾矿多孔陶瓷,并研究了制备工艺对铁尾矿多孔陶瓷物相组成、微观结构和力学性能的影响。结果表明,烧结温度、球磨时间和保温时间对多孔陶瓷的孔隙率、抗压强度和微观结构有显著影响,且在较低的烧结温度下延长保温时间可在保持相同孔隙率的同时有效提高多孔陶瓷的抗压强度。另外,本文建立了可准确描述铁尾矿多孔陶瓷孔隙率与热导率之间相互关系的通用模型。以铁尾矿多孔陶瓷为载体,研制了一种可用于能量存储的铁尾矿多孔陶瓷/石蜡新型复合相变材料(Composite Phase Change Materials,CPCMs),并采用 XRD、SEM和DSC对CPCMs的物相组成、微观结构和稳定性进行了分析。结果表明,铁尾矿多孔陶瓷与熔融石蜡之间具有良好的润湿性和化学相容性,且多孔载体能有效地防止熔融石蜡的泄漏。CPCMs的导热率随载体孔隙率不同在0.30~0.45 W/(m·K)范围内变化,明显高于石蜡材料的热导率0.23W/(m·K),且实测导热率与通用模型预测结果吻合较好;新型复合相变材料的储能密度可在71~123 kJ/kg的范围内调节,100次熔化/凝固循环后其熔化潜热仅下降约4%并趋于稳定,具有良好的应用前景。在石蜡中添加高导热石墨烯,采用熔融自发浸渗工艺将混有石墨烯的石蜡液渗入铁尾矿多孔陶瓷载体,开发了一种导热增强型铁尾矿多孔陶瓷/石蜡复合相变材料(Nanoparticle-enhanced Composite Phase Change Materials,NCPCMs)。通过调整制备工艺参数,获得了导热率为0.40~0.60 W/(m·K)、潜热为69.5~121.3 kJ/kg的复合相变储能材料。经过25次熔融/凝固循环后,石墨烯在NCPCMs中仍保持良好的分散性,且当多孔载体孔隙率<85%时,复合相变材料的质量损失小于2%,表明复合相变材料具有良好的稳定性。导热增强型复合相变储能材料具有优异的热物理性能、化学稳定性以及在热能储存系统中快速充能/释能的特点。本文首次探索以大宗工业废弃物中目前基本无法利用的泥状细颗粒铁尾矿为原料制备孔隙率可调、力学性能优良的铁尾矿多孔陶瓷,并以其为载体研发了一种可应用于室内太阳能热水地板采暖系统的复合相变储能材料,开辟了铁尾矿资源化利用的新技术和新方向,在建筑节能等领域有着广阔的应用前景。

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