2011年第3期CARBON總第147文章編號:1001-8948(2011)03-0032-0生物質(zhì)焦分形維數(shù)計算林曉芬,張軍2,尹艷山2,盛昌棟2(1.福建交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建福州350007;2東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院江蘇南京210096)摘要:釆用壓汞法的實驗數(shù)據(jù),計算兩種分形模型下生物質(zhì)焦樣的分形維數(shù)。其中棖據(jù) Menger海綿模型計算得到的分形維數(shù)m的值在2.7~3.1之間,基于熱力學(xué)關(guān)系的分形模型計算得到的分形維教Dr的值在2.72.9之間。分析認為第二種模型更好的描述了焦樣的孔隙結(jié)構(gòu),Dr的值比Dm的值更為合理。實驗結(jié)采表明,分形維數(shù)與生物質(zhì)種類有關(guān),樹葉焦樣的分形維數(shù)整體上大于稻殼焦樣的分形維數(shù)。生物廈焦樣的平均孔徑與分形維數(shù)有關(guān)?？偟膩砜?同一生物質(zhì)焦樣的分形維數(shù)隨著平均孔徑的增大而減小關(guān)鍵詞:生物廈焦;分形維數(shù)doi:10.3969/jisn1001-8948.2011.03-007中圖分類號:TQ424.29文獻標(biāo)識碼:ACALCULATION OF FRACTAL DIMENSIONSOF BIOMASS CHARSLin Xiao-fen, Zhang Jun, Yin Yan-shan Sheng Chang-dongi(1. Fujian Communication Technology College, Fuzhou 350007, China2. College of Energy and Environment Southeast University, Nanjing 210096, China)Abstract: Based on the porosity structure measured by mercury porosimeter, the fractal dimensions of biomasschars have been calculated by two fractal models. The fractal dimensions based on Menger sponge model andthermodynamics are 2. 7-3. 1 and 2.7-2.9, respectively. The results show that the model based on thermo-dynamics depicts the porosity of biomass char more appropriate than the Menger sponge model. The resultsalso show that the kinds of the biomass chars have an effect on the fractal dimensions and totally the leafhars have bigger fractal dimensions than the rice shell chars. The average pore diameters have an effect onthe fractal dimensions And the fractal dimensions of one biomass char decrease while the average pore diam-eters increase generallyKey words: biomass char; fractal dimensions0前言構(gòu)的幾何特性對擴散和反應(yīng)都起著重要的作用11分形是局部和整體以某種方式自相似的集合,吸附劑的孔隙特征是影響其吸附劑性能的重要是具有自相似對稱性的幾何對象。分形維數(shù)D是其因素。在多孔物質(zhì)中,反應(yīng)氣體是通過孔通道進行不規(guī)則程度的定量表征參數(shù)。分形維數(shù)反映了多孔擴散,并與孔壁發(fā)生碰撞、吸附和反應(yīng)的,所以孔結(jié)介質(zhì)孔結(jié)構(gòu)不規(guī)則的程度,其數(shù)值越大,則說明了孔收稿日期:2011-02-18基金項目:國家重點基礎(chǔ)研究專項經(jīng)費(2006CB200300),華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點實驗室開放基金(200502)通訊作者:張軍(1963-),男,湖北黃石人,教授博土,研充方向為燃煤污染控制和作者簡介:林曉芬(1981-),女,福建龍巖人,碩士研究生,研究方向為生物質(zhì)炭的H中國煤化工CNMHGmail:IxI- lotus@sina. com第3期林曉芬等生物質(zhì)焦分形維數(shù)計算33結(jié)構(gòu)的不規(guī)則程度越大。目前,測定多孔物質(zhì)分形體。其幾何構(gòu)造如圖1所示。維數(shù)的方法主要是通過實驗來測定,如吸附法、壓汞法和SEM圖像分析法等{2-4一般地,從分形維數(shù)的幾何意義看,1~2之間的分形維數(shù)表征不規(guī)則的線或者是帶孔的面,2-3之間的分形維數(shù)則表征了粗糙的面或帶孔的體積,即多孔介質(zhì)。1焦樣的制取5-81本試驗采用江蘇南京地區(qū)生長的稻殼法國梧圖1三維 Menger海綿體的分形幾何構(gòu)造桐樹葉玉米稈、棉花稈。原料在使用前,進行干燥Fig. 1 The fractal geometrical construction of后破碎。將稻殼樹葉、玉米稈、棉花稈等4種生物質(zhì)three dimensional Menger spongy mass在不同溫度(400℃、500℃、600℃、850℃)和不同熱Menger海綿模型主要是通過幾何方法建立如下解速度(快速慢速)的條件下對生物質(zhì)進行熱解制計算公式焦In(dVp/dp)=(Dm-4)Inp+C(1)快速熱解是指先將馬弗爐升溫到熱解溫度,再其中,Dm-分形維數(shù);vp-孔隙體積;p-壓力;把生物質(zhì)放入馬弗爐中熱解;慢速熱解指把生物質(zhì)c-常數(shù)。采用壓汞法獲得孔隙體積時,假定孔隙體放入馬弗爐中隨馬弗爐一起升溫至熱解溫度進行熱積vp等于進汞體積Vv這樣分形維數(shù)Dm可由ln(dvp/解。將制得的焦樣篩分,選取1-3mm的焦樣進行分dp)~lmp直線的斜率(Dm-4)得到。析。采用壓汞法測量生物質(zhì)焦的孔隙結(jié)構(gòu),壓汞儀2,2基于熱力學(xué)關(guān)系的分形模型為美國麥克儀器公司生產(chǎn)的9310型微孔結(jié)構(gòu)分析基于熱力學(xué)關(guān)系的分形模型計算基礎(chǔ)是基于施儀,壓力范圍為0~207MPa,由南京師范大學(xué)提供。加于汞的壓力與多孔物質(zhì)孔徑之間滿足 Washburn方喪1焦樣的制取程。采用壓汞法測量多孔物質(zhì)的孔隙體積和孔徑的Table 1 Preparation of the samples關(guān)系時,外界環(huán)境對汞所做的功等于進入孔隙內(nèi)汞熱解溫度熱解速度熱解時間液的表面能的增加,所施加于汞的壓強p(Pa)和進汞/min量v(m3)滿足#1稻殼#2樹葉400pdv=- acosAds(2)稻殼通過量綱分析,可以將多孔物質(zhì)的孔隙表面S玉米稈10棉花稈(m2)的分形標(biāo)度與孔隙孔徑r與進汞量V進行關(guān)聯(lián),#7稻殼快快快快快快快快慢慢得到孔隙分形維數(shù)Dr的表達式。對于進汞操作,可#8樹葉稻殼將式(3)近似寫為離散形式:#10樹葉60010稻殼∑p1△V1=kr12(V-3/rn)Dr(3)#12稻殼#13樹葉式中,P-第進汞操作的平均壓力,Pa;△v#14600第次進汞操作的進汞量,m3;n-在進汞操作中施2分形模型的建立9-1加壓力的間隔數(shù);rn-第n次進汞所對應(yīng)的孔隙半徑,m;Vn-壓力間隔1~n時的累計進汞量,m3;k-2.1 Menger海綿模型Menger海綿模型構(gòu)造過程如下:取一個邊長為R系數(shù);D-分形維數(shù)。的立方體,將它的6個面均作9等分,得到27個小立方令W2=∑p1△V1(4)體,然后去掉中間位置的小塊和每個表面中間的小立方體,剩下20個小立方。將剩下的每個小立方按Q,=Vl/3中國煤化工(5)CNMHG上述操作重復(fù)下去,直到無夯,就會得到 Menger海綿則可以得,m,y-+C(6)34炭素2011年其中,C-常數(shù),WnQ2-過程變量,做出ln(W/rn2)~lnQn曲線就可以得到斜率Dr,即多孔物質(zhì)的分形維數(shù)。為了比較,本研充采用了這兩種模型分別對分形維數(shù)進行了計算。3實驗結(jié)果3.1分形擬合曲線#9 In(Q)#3稻殼焦樣Dr的分形擬合曲線3015百5#3稻殼焦樣Dm的分形擬合曲線0586-4-20246810#10 In(Q)#4樹葉焦樣Dr的分形擬合曲線(10)#4樹葉焦樣Dm的分形擬合曲線#ll In(Q)#5玉米稈焦樣Dr的分形擬合曲線#5玉米稈焦樣Dm的分形擬合曲線#6棉花稈焦樣Dr的分形擬合曲線圖樣分形維數(shù)Dm和冂r擬合曲線(#12)中國煤化工 fractal#6棉花稈焦樣Dm的分形擬合曲線CNMHGe samples第3期林曉芬等生物質(zhì)焦分形維數(shù)計算3.2分形維數(shù)的計算喪2焦樣兩種分形維數(shù)的計算結(jié)果Table 2 Calculation results based on different the fractal dimensions of the sample焦樣Menger模型基于熱力學(xué)關(guān)系的分形模型平均孔徑/分形維數(shù)Dm置信度R分形維數(shù)Dr置信度RAm#1稻殼400℃快2.93824-0.978122.797120.999190.1152#2樹葉400℃快2.961880.962682.757110.999190.2231#3稻殼600℃快2.92696-0.975742.78600.999110.1136#4樹葉600℃快2.992080.975992.801150.99380.1809#5玉米稈600℃快2.74245.-0.923152.601070.998820.9641#6棉花稈600℃快2.823870.936822.6760.9990.4058#7稻殼850℃快0.978412.752690.999320.1675#8樹葉850℃快3.048610.980712.828360,999410.1#9稻殼600℃慢2.93733-0.983742.802390.999320.0951#10樹葉600℃慢2.999412.809540.999360.1673#11稻殼600℃快2.919790.976342.785190.999310.1232#12稻殼600℃快2.927680.976872.796530.999130.1188#13樹葉600℃快2.99844-0.969442.802090.999260.1792#14樹葉600℃快3.01852-0.971222.808110.999290.17833.3焦樣的電鏡掃描照片四種生物質(zhì)焦的電鏡掃描照片如圖3。(a)稻殼焦樣,快速熱解(b)樹葉焦樣快速熱解(c)玉米稈焦樣,快速熱解(d)棉花稈焦樣,快速熱解850℃400℃600t600℃圖3四種生物質(zhì)焦樣的電鏡掃描照片F(xiàn)ig 3 SEM images of different biomass chars4實驗結(jié)果分析從表1中可以看到,兩種分形模型下,計算得到的焦樣的分形「V凵中國煤化工8模型計算采用兩種分形模型計算生物質(zhì)焦的分形維數(shù),得到的分形維CNMHG3.1之間;基則分形擬合曲線如圖2所示,計算結(jié)果如表2所示于熱力學(xué)關(guān)系燈異到以丌形維數(shù)Dr較36·炭素2011年小,其值在2.6~2.9之間。從圖1上看,根據(jù)第二種2.676。模型計算分形維數(shù)時,數(shù)據(jù)與擬合曲線的相關(guān)性較總的看來,稻殼和樹葉焦樣的分形維數(shù)隨著平好,其置信度較高。由于Dm的值已經(jīng)超出了2~3的均孔徑的增大而減小。合理范圍,所以認為第二種分形模型更好的反應(yīng)了分形維數(shù)與焦樣的種類有關(guān)。從表2中可以看焦樣的實際孔隙結(jié)構(gòu)。到樹葉焦樣的分形維數(shù)整體上大于稻殼焦樣,其平分形維數(shù)與多孔物質(zhì)本身的種類有關(guān),如表中均孔徑整體上也大于稻殼焦樣的樹葉焦樣,其分形維數(shù)相比稻殼整體較大。參考文獻[1]謬明烽,沈湘林.鈣基脫硫劑分形孔結(jié)構(gòu)的實驗研充[J]能源研充與利用,2001,(1):28-30[2]張新銘,彭鵬,王金燦基于分形理論的石墨泡沫新材料導(dǎo)熱系數(shù)[J].重慶大學(xué)學(xué)報,2004,27(9):109-111[3] Hu Song, Li Min, Zhang Jun, et al. 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Proceeding in Sino- Australia Symposiumaverage pore size/Hmon Advanced Coal Utilisation Technology, 12b樹葉焦樣14 July, Wuhan, China, 364-372圖4焦樣分形維數(shù)D與平均孔徑的關(guān)系[冂]張軍,林曉芬,印佳敏,等.生物質(zhì)焦的孔隙結(jié)構(gòu)Fig 4 Relationship of the fractal[D].中國工程熱物理學(xué)會2004年學(xué)術(shù)會議論dimension of char with average pore size文,大連:200486-90圖4是稻殼與樹葉焦樣的分形維數(shù)與平均孔徑[8]林曉芬,尹艷山,李振全等壓汞法分析生物質(zhì)的關(guān)系,可以看到,總的來說焦樣的平均孔徑越小,焦孔隙結(jié)構(gòu)[J].工程熱物理學(xué)報,2006,(增刊分形維數(shù)越大。2):187-190[9]劉永忠,陳三強,孫皓凍干物料孔隙特性表征的5結(jié)論分形模型與分形維數(shù)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2004采用海綿模型和基于熱力學(xué)計算基礎(chǔ)模型等兩20(6):41-45種分形模型對生物質(zhì)炭的分形維數(shù)進行了計算,結(jié)10張登峰曾向東鹿雯等熱改活性炭纖維對甲果表明基于熱力學(xué)計算基礎(chǔ)模型比較恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)了苯的吸附和分形分析[J].化學(xué)工業(yè)與工程,生物質(zhì)炭樣的孔隙結(jié)構(gòu)。008,25(2):116-120.分形維數(shù)Dr與多孔物質(zhì)的平均孔徑有關(guān)。從表[111于富玲王毅力郭謹瓏等顆?；钚蕴课饺?中可以看到,平均孔徑最大的#5玉米稈焦樣,具有料過程的分形特征研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報,2005最小的分形維數(shù)Dr,為2.60107;平均孔徑第二大的中國煤化工#6棉花稈焦樣,具有倒數(shù)第二小的分形維數(shù)Dr,為CNMHG