一种石英管结合拉曼光谱仪监测水热液化过程的装置及方法与流程

本发明属于生物质可再生能源利用领域，涉及到用可视化的方法研究生物质水热液化制取生物油的实验装置，特别涉及到一种透明石英管结合拉曼光谱仪研究水热液化过程的实验装置。

背景技术：

为了解决化石能源危机，以及其所带来的一系列的环境问题，我国已经对生物质能展开了研究。生物质能源作为最有前景的清洁可再生能源，具有来源广、可再生以及产量丰富的优点。因此，如何更加高效地开发利用生物质能源已经成为世界学者密切关注的难题。

在生物质热化学转化的技术中，热裂解和水热液化是最为常见的两种方式。与热裂解相比，水热液化生产的生物油含氧量较低，热值与柴油相近，且品质较高。此外，通过水热的方式无需对原料进行干燥，减少了能源的消耗。

传统的水热液化反应釜多为不锈钢高压容器，不能观察液化过程中原料的溶解、扩散、分解、聚合等一系列变化，只能通过最终产物成分分析推测过程中可能发生的物理化学反应。因此，本发明利用透明石英管反应器成功的解决了水热过程中的可视化问题，再利用不同物质具有与其对应的特征拉曼光谱的特性，结合拉曼光谱仪进一步验证过程中可能发生的化学反应，对后续液化条件的优化奠定了坚实的基础。

技术实现要素：

针对传统不锈钢反应釜不能观察其内部变化的不足，本发明提出了一种透明石英管结合拉曼光谱仪研究水热液化过程的实验装置，为后续液化条件的优化提供了准确的参考。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的：

一种石英管结合拉曼光谱仪监测水热液化过程的装置，该装置包括带物镜的偏光显微镜、共聚焦拉曼光谱仪，用于拍摄图像的数码相机放置在拉曼光谱仪上方，且数码相机与拉曼光谱仪以及偏光显微镜的光路相通；恒温加热炉位于偏光显微镜的正下方，石英管置于恒温加热炉的凹槽内，循环冷却装置装在恒温加热炉的底部；计算机与共聚焦拉曼光谱仪以及数码相机相连。

进一步的，绝热材料石棉覆盖于恒温加热炉的上方，且绝热材料石棉上开有与石英管尺寸、位置一致的通孔。

进一步的，恒温加热炉通过温度控制仪进行温度调控的，循环冷却装置对恒温加热炉进行冷却降温。

进一步的，偏光显微镜与石英管的垂直距离可分别通过偏光显微镜和活动支架进行微调节和粗调节。

进一步的，所述光路采集系统是通过共聚焦拉曼光谱仪内的激发光源发射激光，通过偏光显微镜将光束聚焦在石英管反应器上并激发出拉曼信号，拉曼信号再通过偏光显微镜的物镜变成平行光被拉曼光谱仪接收，形成测试产物的拉曼谱图。

进一步的，所述的偏光显微镜是将普通光变成偏振光的镜检方法，为了清晰地观察由多种具有明显各向异性结构组成的生物原料在水热反应中的裂解聚合过程。

进一步的，所述光路采集系统中数码相机、共聚焦拉曼光谱仪和偏光显微镜的光路相通，且通过数据线与计算机相连。

进一步的，所述透明石英管反应器位于偏光显微镜焦距处。

进一步的，所述恒温加热炉的温度是通过温度控制仪调控的，并通过循环冷却装置对台架进行降温。

进一步的，所述石棉绝热层覆盖于恒温加热炉的上方，且开有与石英管尺寸、位置一致的通孔，为了保护高温下偏光显微镜物镜镜头不被损坏。

基于一种透明石英管结合拉曼光谱仪研究水热液化过程的实验装置的方法，包括如下步骤：

步骤一：将石英管浸泡在浓硫酸中约8～10h去除石英管表面的氧化物和杂质，之后用蒸馏水清洗2～3次并放于80℃的烘箱中烘干；

步骤二：切割30mm的石英管(id1mm,od2mm)，先用氢氧火焰熔融石英管封闭其一端，通过细玻璃管将样品装入石英管底部，并注入50μl去离子水，最后再用氢氧火焰熔融封闭另一端，并将封好的石英管反应器放置于恒温加热炉的凹槽内；

步骤三：打开共聚焦拉曼光谱仪，调节偏光显微镜的倍数，一般取目镜的3～4倍观察，使激发光聚焦在石英管反应器上，数码相机以10帧/秒记录水热液化的整个过程，确保拍摄图像的清晰；

步骤四：设置恒温加热炉的升温速率，终止温度以及保持时间，并将石英绝热层覆盖在加热炉表面，在高温下打开循环冷却系统，保护台架安全；

步骤五：反应结束后通过温度控制仪关闭恒温加热炉，并通过循环冷却系统进行降温冷却，同时调节活动支架抬高目镜镜头与加热炉的距离保护镜头，待温度降低至室温关闭循环冷却系统。

进一步的，步骤二中，样品为秸秆、木屑或藻类生物质，颗粒的粒径为80～200目，且生物质料液比为5～10wt.％；对石英管进行密封时，使用氢氧火焰先熔融透明石英管的一端，待装入原料及溶液后，将石英管竖直放置于水槽中，再熔融另一端，两端封边都需用显微镜检查，确保内壁光滑且无缝隙。

进一步的，步骤四中，恒温加热炉的升温速率为20～40℃/min，终止温度为280～340℃，保持时间为10～60min；循环冷却装置进水温度为5℃，流量约为10ml/min。

有益效果：

1.本装置用透明石英管代替传统不锈钢反应釜，与数码相机结合起来对水热液化的液化过程进行实时拍摄。

2.本装置利用不同物质具有与其对应的特征拉曼光谱的特性，通过特征拉曼光谱对水热反应过程中产生的物质进行定性分析，即通过拉曼谱图中某段波长内峰值的变化判断反应过程中的出现的中间产物，并通过拉曼谱图中峰的强度判断反应物的浓度，与传统的水热技术相比，该发明能够检测部分中间产物，对水热机理的研究有指导意义。

3.将绝热材料石棉设置在恒温加热炉上面，可以很好的保护偏光显微镜及设备不受加热的温度的影响，保护了设备。

4.循环冷却装置可以对恒温加热炉及试验台进行冷却，确保在高温下整个试验台的安全，避免因为试验台温度太高损坏显微镜镜头。

附图说明

图1为本发明涉及到的一种透明石英管结合拉曼光谱仪研究水热液化过程的实验装置。

1、数码相机；2、共聚焦拉曼光谱仪；3、偏光显微镜；4、绝热材料石棉；5、石英管；6、循环冷却装置；7、恒温加热炉；8、活动支架；9、计算机；10、温度控制仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

结合附图1，一种透明石英管结合拉曼光谱仪研究水热液化过程的实验装置，包括带物镜的偏光显微镜3、共聚焦拉曼光谱仪2，用于拍摄录像的数码相机1放置在拉曼光谱仪2上方，且与拉曼光谱仪2以及偏光显微镜3的光路相通；恒温加热炉7位于偏关显微镜3的正下方，并通过调节活动支架8和偏光显微镜3控制物镜与透明石英管5的距离；石英管5在恒温加热炉7的凹槽内，绝热材料石棉4覆盖于恒温加热炉7的上方，且开有与石英管5尺寸、位置一致的通孔；循环冷却装置6装在恒温加热炉7的底部；计算机9与共聚焦拉曼光谱仪2以及数码相机1相连，用于分析光谱数据以及处理图像信息。实现了对水热反应过程的可视化，通过拍摄录像直观的了解主要产物生成的温度、时间以及整个反应过程的剧烈程度，对反应机理的研究具有指导意义，为水热生产生物油的后续优化奠定了基础，具有广泛的应用前景。

一种透明石英管结合拉曼光谱仪研究水热液化过程的实验装置的方法，包括如下步骤：

步骤一：将石英管5浸泡在浓硫酸中约8～10h去除石英管5表面的氧化物和杂质，之后用蒸馏水清洗2～3次并放于80℃的烘箱中烘干；

步骤二：切割30mm的石英管(id1mm,od2mm)，先用氢氧火焰熔融石英管5封闭其一端，通过细玻璃管将样品装入石英管5底部，样品颗粒的粒径为80～200目，并注入50μl去离子水，使生物质料液质量百分比为5～10wt.％，待装入原料及溶液后，将石英管5竖直放置于水槽中，再熔融另一端，两端封边都需用显微镜检查，确保内壁光滑且无缝隙，并将封好的石英管反应器放置于恒温加热炉的凹槽内；

步骤三：打开共聚焦拉曼光谱仪2，调节显微镜的倍数，一般取目镜的3～4倍观察，使激发光聚焦在石英管5上，数码相机1以10帧/秒记录水热液化的整个过程，确保拍摄图像的清晰；

步骤四：设置恒温加热炉7的升温速率(20～40℃/min)，终止温度(280～340℃)以及保持时间(10～60min)，并将绝热材料石棉4覆盖在加热炉表面，在高温下开启循环冷却系统，系统的进水温度为5℃，流量约为10ml/min；

步骤五：反应结束后通过温度控制仪10关闭恒温加热炉7，并通过循环冷却装置6进行降温冷却，同时调节活动支架抬高目镜镜头与加热炉的距离保护镜头，待温度降低至室温关闭循环冷却系统。

本装置利用透明石英管反应器结合拉曼光谱仪对水热液化过程进行实时监测，具体方案为将微量的原料放入石英管，用氢氧火焰熔融封闭石英管并置于恒温反应炉中，通过上端偏光显微镜和数码相机组成的系统对整个水热反应过程进行实时拍摄，了解反应过程的相态变化，并利用共聚焦拉曼光谱仪所检测的特征光谱推断中间产物以及反应类型。本发明所述的实验装置实现了对水热反应过程的可视化，通过拍摄录像直观的了解主要产物生成的温度、时间以及整个反应过程的剧烈程度，对反应机理的研究具有指导意义，为水热生产生物油的后续优化奠定了基础，具有广泛的应用前景。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。