甲烷燃烧法合成纳米TiO_2的实验与理论研究

【摘要】： 纳米TiO2具有催化活性高、稳定性好、廉价无毒等优点,在污水处理、净化空气、金属防腐等方面有着非常广阔的应用前景。研究低成本、高质量的纳米TiO2合成技术和纳米TiO2的应用日益受到科学家们的重视。 本文研究了以甲烷为燃料,空气为氧化剂,TiCl4为原料的燃烧法合成纳米TiO2的技术,改变实验操作参数,得到了不同甲烷/空气摩尔比、不同TiCl4流量下的纳米TiO2产品,并利用扫描电镜和X射线衍射对颗粒的形貌和晶体结构进行了表征,得到了颗粒尺寸分布特征和样品中的物相组成情况等。实验结果表明制得的纳米TiO2大部分为锐钛矿,含有少量的金红石,粒径主要分布在50nm~70nm,讨论了实验操作参数对颗粒形貌和晶形的影响。 建立燃烧法合成纳米TiO2颗粒的数学模型,对实验过程进行数值模拟。在标准壁面函数和非平衡壁面函数处理条件下,采用Standard k-ε、RNG k-ε和RSM三种湍流模型对甲烷燃烧时的湍流扩散火焰进行数值模拟,得出非平衡壁面函数下RNG k-ε湍流模型的模拟结果与实验中观测到的结果最接近,在此模型基础上,把TiO2当作一种准气体,模拟计算通入TiCl4后的火焰场和物质浓度场。假定TiCl4在瞬间反应,全部转化为TiO2单体分子,把颗粒动力学与计算流体力学相结合,对颗粒长大过程进行了数值模拟,得到了燃烧器不同截面上的颗粒数密度和颗粒直径,分析了影响颗粒形成的主要因素,并把模拟结果与实验结果进行了对比。 【关键词】：燃烧法 纳米颗粒 湍流扩散火焰 数值模拟 颗粒动力学
【学位授予单位】：大庆石油学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-6
• 创新点摘要6-9
• 前言9-13
• 第一章 纳米TiO_2的性质及其制备方法13-19
• 1.1 纳米材料的特性13-14
• 1.1.1 小尺寸效应13
• 1.1.2 量子尺寸效应13
• 1.1.3 表面效应13-14
• 1.1.4 宏观量子隧道效应14
• 1.2 纳米TiO_2的性质及应用14-15
• 1.3 纳米TiO_2的生产现状及制备方法15-18
• 1.3.1 纳米TiO_2的生产现状15-16
• 1.3.2 纳米TiO_2的制备方法16-18
• 1.4 本章小结18-19
• 第二章 燃烧法合成纳米TiO_2的实验研究19-32
• 2.1 实验装置19-20
• 2.2 实验原理20-22
• 2.2.1 粒子形成理论20-21
• 2.2.2 反应过程描述21-22
• 2.3 实验步骤及实验操作参数22-23
• 2.4 纳米TiO_2的表征23-29
• 2.4.1 颗粒形貌及粒径分布23-26
• 2.4.2 氧化钛物相分析26-29
• 2.5 实验结果分析29-31
• 2.5.1 甲烷/空气摩尔比的影响29-30
• 2.5.2 TiCl_4 流量的影响30-31
• 2.6 本章小结31-32
• 第三章 燃烧法合成纳米TiO_2的数值模拟32-49
• 3.1 CFD 基础32-33
• 3.2 火焰模拟计算中的控制方程33-36
• 3.2.1 质量守恒方程33-34
• 3.2.2 动量守恒方程34-35
• 3.2.3 组分守恒方程35
• 3.2.4 能量守恒方程35-36
• 3.3 湍流模型36-39
• 3.3.1 k-ε模型36-38
• 3.3.2 Reynolds 应力方程模型（RSM）38-39
• 3.3.3 壁面函数法39
• 3.4 辐射模型39
• 3.5 甲烷燃烧火焰的数值模拟39-42
• 3.5.1 物理模型的建立及网格划分39-40
• 3.5.2 物性的选取40-41
• 3.5.3 边界条件41
• 3.5.4 初步计算后网格的细化41-42
• 3.6 甲烷燃烧火焰的模拟结果42-45
• 3.7 通入TiCL_4后火焰的数值计算45-48
• 3.8 本章小结48-49
• 第四章 纳米TiO_2颗粒生长的数值模拟49-60
• 4.1 颗粒动力学模型49-55
• 4.1.1 SDM 颗粒动力学模型49-51
• 4.1.2 POC 颗粒动力学模型51-53
• 4.1.3 积分碰撞模型53-55
• 4.2 颗粒动力学与计算流体力学结合55-56
• 4.3 模拟结果分析56-59
• 4.3.1 火焰结构的模拟结果56-57
• 4.3.2 火焰结构对颗粒形成的影响57-59
• 4.3.3 颗粒尺寸分布的模拟结果59
• 4.4 本章小结59-60
• 结论60-62
• 参考文献62-65
• 发表文章目录65-66
• 致谢66-67
• 详细摘要67-72

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