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全球推动低碳经济的进程加快了对可持续能源载体的探索。虽然氢气和电池常常占据新闻头条，但另一种颇具前景的候选者正逐渐受到关注：铁粉。作为一种无碳燃料，铁粉的燃烧具有高能量密度和出色的可回收性。然而，要充分发挥其潜力，就必须了解整个燃烧过程，包括其颗粒物排放的性质。本文探讨了近期关于铁粉燃烧的研究成果，重点研究了纳米粒子的生成及其影响。
铁粉作为能源载体的潜力
铁是地球上含量最丰富的元素之一，因此它是一种广泛可得且成本低廉的资源。当用作燃料时，它会经历氧化过程，从而释放出大量的能量，使其成为一种极具吸引力的“能源载体”。它可以通过可再生能源生产，能够长时间储存，并且可以安全运输。
铁粉的主要优点包括：
- 高能量密度：铁粉具有高能量密度，使其成为适用于能源和电力领域高要求应用的可行替代燃料。
- 无碳燃烧：燃烧过程是无碳的，意味着不会产生一氧化碳或二氧化碳排放。这直接有助于摆脱化石燃料的使用。
- 安全性和循环性：与氢气不同，铁粉可以使用现有的基础设施进行处理、储存和运输，且风险极低。燃烧产物——氧化铁（铁锈）可以收集并利用可再生能源转化为铁粉，从而形成一个循环且可持续的燃料循环。
为何研究颗粒物排放至关重要
尽管铁粉燃烧有许多优点，但这一过程却十分复杂。包括英国诺丁汉特伦特大学（NTU）的研究（Zakaria Mansouri博士）在内的近期研究表明，该过程会释放出大量的纳米颗粒物。了解在不同燃烧条件下这些颗粒物的大小和浓度，对于理解其对环境的影响以及开发合适的过滤技术至关重要。
首先，如果这些排放物未得到妥善处理，就可能带来潜在的健康和环境风险。吸入直径小于 100 纳米的超细颗粒物（UFPs），会对呼吸系统和心血管系统造成不良影响。
其次，纳米颗粒物的排放会影响铁燃料循环的效率和可回收性。这些微小颗粒在燃烧粉末的收集过程中可能会流失，从而减少了能够重新转化为燃料的材料量。
纳米粒子排放的实验性见解
为了研究这些排放情况，研究人员使用专门的设备来分析燃烧过程中产生的颗粒物。在由南洋理工大学的 Zakaria Mansouri博士领导的一项近期研究项目中，建立了一个受控的实验环境，用于燃烧不同粒径的铁粉，特别关注大于 60 μm的较大颗粒物。
实验装置
该实验包含一个燃烧室，其中铁粉以可控的速度被注入，并在甲烷火焰的作用下燃烧。燃烧产生的废气随后被稀释，并导入先进的粒子测量仪器中。在这个过程中，我们使用了TSI公司的两款关键仪器：
- 一台扫描电迁移率粒径谱仪SMPS™，用于测量亚微米级颗粒和纳米颗粒的粒径分布及浓度。
- 一台用于测量较大颗粒的空气动力学粒径谱仪（APS™）
这个装置使研究人员能够全面了解不同粒径大小（从小于 10 nm 的超细颗粒到较大的超微米颗粒）的粒子排放情况。
关于颗粒物粒径和浓度的关键发现
该研究的结果证实了存在高浓度的超细颗粒物（UFPs）。具体而言，在给定的燃烧条件和原始颗粒大小范围内，SMPS™ 测量发现了大量直径小于 100 nm的颗粒物，且存在一个在 20 nm左右明显的模式（峰值浓度）。数据还表明存在小于 10 nm的颗粒物。
关键的是，这些超细颗粒物UFPs的浓度异常高，即便在未对稀释系数进行校正的情况下也超过了 10⁷ 个/ cm³。APS™ 测量还检测到了超微米级颗粒物，其峰值粒径约为 3.5 μm，这表明排放物涵盖了广泛的粒径范围。
一个观察到的有趣现象是，在燃烧过程中较大铁粉颗粒会出现“微爆”现象。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，一些铁颗粒似乎会破裂，从内部释放出纳米颗粒。研究人员推测，这种微爆现象有可能提高较大铁粉的燃烧效率，但同时也导致了超细颗粒物（UFPs）排放量的增加。这些纳米颗粒的来源目前尚未完全明了，仍是一个活跃的研究领域。
健康、环境及性能影响
在铁粉燃烧过程中产生的超细颗粒物浓度极高，这具有重要的影响。从健康和安全的角度来看，控制这些纳米颗粒物的暴露至关重要。对于任何涉及铁粉燃烧的应用，必须采用有效的过滤和封闭系统，以保护工人和周围环境。
从性能角度来看，纳米粒子的排放意味着从循环燃料循环中出现了材料的损失。提高氧化铁的可回收性是该技术在经济性和环境方面可行性的关键所在。因此，控制或减少这些细小颗粒物的形成是一项至关重要的工程挑战。进一步的研究可能会探索优化燃烧过程以减少纳米颗粒物形成的方法，或者开发更有效的捕获这些颗粒物的方法。
TSI 先进的颗粒物测量解决方案
精确且可靠的颗粒物测量是推进铁粉燃烧研究的基础。TSI 的仪器设备具备所需的精度和测量范围，能够对这些复杂的排放物进行特征分析。
- 扫描电迁移率粒径谱仪SMPS™ 是测量纳米颗粒物和亚微米级气溶胶粒径分布的权威仪器。其能够提供低至 1 nm的高分辨率颗粒物数据，这对于像新加坡国立大学这样的研究具有极大的价值，因为在该研究中，了解超细颗粒物（UFPs）的比例是首要目标。
- 空气动力学粒径谱仪APS™ 与 SMPS™ 相辅相成，它能够对 0.5 至 20 μm范围内的较大颗粒物和气溶胶进行实时测量。将这两款仪器结合使用，可以提供完整的粒径分布数据，使研究人员能够全面了解燃烧产物的情况。
这些工具对于致力于优化燃烧过程、评估环境影响以及确保新能源技术的安全性和效率的研究人员而言至关重要。
铁粉燃烧的未来
铁粉作为一种清洁、安全且可循环利用的能源载体具有巨大潜力。随着该领域的研究不断深入，重点将逐渐转向优化燃烧过程，以实现效率最大化并减少诸如纳米颗粒物排放等不必要的副产品。像诺丁汉特伦特大学这样的机构正在进行的相关研究，为这种新型技术的实际应用铺平道路。
在我们迈向可持续能源未来的进程中，深入了解新兴技术变得愈发重要。通过利用先进的测量工具和合作研究，我们能够充分发挥铁粉在构建低碳世界中的关键作用。
这些实验是与 诺丁汉特伦特大学的“替代燃料开发与诊断（DDAF）”实验室合作进行的。
根据您的具体需求和研究目标，TSI 也会推荐其他解决方案，例如：