本发明涉及一种la@fe2o3纳米颗粒助燃剂及其分散液的制备方法和应用，属于环境保护。
背景技术：
1、燃气锅炉是一种利用燃气(如天然气、液化石油气等)作为燃料，通过燃烧产生热能，然后将热能转移到供暖系统或热水系统中的设备。它是一种常见的供暖和热水设备，广泛应用于家庭、商业和工业领域。住宅和商业建筑选择燃气锅炉作为供热设备，以提供舒适的室内温暖。在工业领域，燃气锅炉可用于发电厂、化工厂、纺织厂、食品加工厂等场所的蒸汽生产和加热过程。随着对环保和能源效率的关注不断增加，燃气锅炉的高效节能成为行业的趋势。然而，目前的燃气锅炉的燃烧系统效率不高，主要包括以下几个方面的原因：(1)燃料的不完全燃烧。部分燃料在燃烧过程中无法充分燃烧，导致燃烧效率降低，可能原因包括不合理的燃烧器设计、燃料供应不稳定或燃烧过程中的气流不均匀等；(2)热量损失。燃气锅炉在燃烧过程中会产生大量的烟气和热量，其中一部分热量会通过烟气排放、锅炉表面散失或未被充分利用而损失掉，降低了燃烧系统的效率；(3)过量空气。过量的空气进入燃烧系统会导致热量稀释和热量带走，降低了燃烧效率；(4)燃烧控制不准确。燃气锅炉燃烧过程中的温度、湿度、燃料供应等参数的控制不准确，可能导致燃烧系统的效率下降。通过采用先进的燃烧器设计和燃烧技术，如预混燃烧器、多级燃烧器等，将烟气中的热量回收利用，可以改善燃气锅炉的燃烧效率，实现更完全的燃烧过程。然而，采用先进的燃烧器技术、烟气余热回收装置和智能化控制系统等，通常需要投入较高的技术和经济成本，限制了小型和中小型企业采用这些改进措施的能力。
2、当前，通过催化助剂辅助提高燃气燃烧效率的研究受到了广泛重视，现已有多个助燃专利技术的报道，例如公开号为cn102690696b的专利公开了二甲醚燃气纳米稀土助燃剂的制备方法，采用水热法制备了氯化铈修饰的氧化钕镧纳米粒子作为二甲醚燃气的助燃剂，该方法制备的助燃剂虽然能够提升燃气的燃烧效率，但制备的助燃剂仅是针对二甲醚燃气，不能用于天然气。公开号为cn106147907b的专利公开了液化天然气助燃剂，将桐油、乙醇、正丁醇、环戊醇、乙二醇单丁醚、甲基乙基酮、硼烷四氢呋喃等配成液化天然气助燃剂，虽然该助燃剂可提高燃气热值，但助燃剂的成分复杂，制备成本较高。
技术实现思路
1、本发明旨在提供一种la@fe2o3纳米颗粒助燃剂及其分散液的制备方法，该助燃剂可稳定分散在甲氧基聚乙烯醇甘油醚中，形成性质稳定的la@fe2o3纳米颗粒助燃剂分散液，该分散液在不破坏原先锅炉燃烧体系的条件下，可通过稀释喷射雾化方法与燃气混合，从而提高燃气燃烧效率。
2、针对上述目的，本发明首先提供了一种la@fe2o3纳米颗粒助燃剂的制备方法，包括以下步骤：
3、(1)fe2o3纳米颗粒的预处理：将fe2o3纳米颗粒加入到去离子水中，搅拌使其分散，向分散后的溶液中加入氢氧化钠水溶液，搅拌使其反应，反应完成后经过滤、洗涤、干燥，得到预处理的fe2o3纳米颗粒；
4、(2)fe2o3纳米颗粒的活化：将氨基酸和步骤(1)得到的预处理的fe2o3纳米颗粒加入到溶剂中，搅拌使其反应，反应完成后经过滤、洗涤、干燥，得到活化的fe2o3纳米颗粒，所述氨基酸包括3-氨基丙酸、苯丙氨酸、丝氨酸中的一种；
5、(3)镧配体溶液的制备：用碱液调节乙二胺四乙酸二钠溶液的ph至8～10，并将镧盐溶液滴加到乙二胺四乙酸二钠溶液中，搅拌使其反应，反应完成后过滤，滤液即为镧配体溶液；
6、(4)la@fe2o3纳米颗粒助燃剂的制备：向步骤(3)中的镧配体溶液中加入步骤(2)得到的活化的fe2o3纳米颗粒，搅拌使其反应，反应完成后过滤，将滤渣用甲醇或丙酮清洗，干燥后获得la@fe2o3纳米颗粒助燃剂。
7、本发明通过使用镧离子来修饰氧化铁，以合成la@fe2o3纳米颗粒助燃剂，氧化铁和镧离子之间存在相互作用，形成氧化铁的缺陷位点，助燃剂工作时，氧气和燃料分子易被吸附到助燃剂表面的缺陷位点上，镧离子可活化吸附在助燃剂表面上的氧气和燃料分子，使其形成活性物质，活性物质之间发生反应，产生燃烧产物和释放能量。反应机理如下公式所示。
8、ch4+fe2o3→ch4@fe2o3
9、o2+fe2o3→o2@fe2o3
10、o2@fe2o3+2la3+→2la2o3+o@fe2o3
11、ch4@fe2o3+o@fe2o3→co2+h2o
12、在本发明的一种实施方式中，在步骤(1)中，加入的fe2o3纳米颗粒与去离子水的质量体积比为(1～20)kg:100l，所述fe2o3纳米颗粒的粒径为5～20nm。
13、在本发明的一种实施方式中，在步骤(1)中，fe2o3纳米颗粒分散时的搅拌速度为200～500r/min。
14、在本发明的一种实施方式中，在步骤(1)中，加入的氢氧化钠水溶液的浓度为0.5～1.5mol/l，氢氧化钠水溶液的加入速度为2～10l/min，滴加的氢氧化钠水溶液的总体积为20～70l。
15、在本发明的一种实施方式中，在步骤(1)中，加入氢氧化钠水溶液后，搅拌速度为200～500r/min，反应时间为8～16小时。
16、在本发明的一种实施方式中，在步骤(1)中，过滤前先用多孔陶瓷膜浓缩，浓缩后采用隔膜压滤机过滤，滤渣经水洗后在50～70℃条件下干燥6～12h。
17、在本发明的一种实施方式中，在步骤(2)中，所述溶剂包括甲醇、乙醇、四氢呋喃、二甲基甲酰胺中的任意一种或几种的混合物，所述氨基酸优选3-氨基丙酸。
18、在本发明的一种实施方式中，在步骤(2)中，所述氨基酸与溶剂的质量体积比为(3～30)kg:100l，所述预处理的fe2o3纳米颗粒与溶剂的质量体积比为(1～4)kg:100l。
19、在本发明的一种实施方式中，在步骤(2)中，搅拌反应时间为8～14h，过滤前先用多孔陶瓷膜浓缩，浓缩后采用隔膜压滤机过滤，滤渣经水洗后在50～70℃条件下干燥6～12h。
20、在本发明的一种实施方式中，在步骤(3)中，所述乙二胺四乙酸二钠溶液的质量浓度为0.05～0.3kg/l，所述碱液为氢氧化钠水溶液，所述氢氧化钠水溶液的浓度为0.5～1.5mol/l。
21、在本发明的一种实施方式中，在步骤(3)中，所述镧盐包括三氯化镧或硝酸镧，所述镧盐溶液中镧盐的质量浓度为0.025～0.2kg/l。
22、在本发明的一种实施方式中，在步骤(3)中，镧盐溶液的滴加速度为5～10l/min，搅拌时的转速为100～200r/min，搅拌反应时间为4～12h。
23、在本发明的一种实施方式中，在步骤(4)中，所述活化的fe2o3纳米颗粒与镧配体溶液的质量体积比为(1～2)g:10l。
24、在本发明的一种实施方式中，在步骤(4)中，搅拌反应前，使用盐酸或氢氧化钠调节溶液的ph至7～9，搅拌反应时的转速为100～600r/min，反应时间为4～16h，反应温度为25～90℃。
25、在本发明的一种实施方式中，在步骤(4)中，过滤前先用多孔陶瓷膜浓缩，浓缩后采用隔膜压滤机过滤，滤渣经溶剂洗涤后在50～70℃条件下干燥6～12h。
26、本发明还提供了一种采用上述制备方法制备得到的la@fe2o3纳米颗粒助燃剂。
27、本发明还提供了一种la@fe2o3纳米颗粒助燃剂分散液的制备方法，包括以下步骤：
28、(1)氯代聚乙二醇单甲醚的制备：将聚乙二醇单甲醚和吡啶加入到有机溶剂中，在搅拌的同时滴加二氯亚砜，滴加完成后搅拌反应4～8h，去除溶剂，获得氯代聚乙二醇单甲醚；
29、(2)甲氧基聚乙烯醇甘油醚的合成：将步骤(1)得到的氯代聚乙二醇单甲醚加入到有机溶剂中，同时向其中加入氢氧化钠和丙酮缩甘油，搅拌使其反应，调节反应混合液的ph，使混合液呈酸性，继续搅拌反应，反应完成后除去溶剂，用有机溶剂溶解残余物，过滤，滤液除去溶剂后得到甲氧基聚乙烯醇甘油醚；
30、(3)la@fe2o3纳米颗粒助燃剂分散液的制备：将la@fe2o3纳米颗粒助燃剂分散在水中，并向其中加入步骤(2)得到的甲氧基聚乙烯醇甘油醚，搅拌反应后制得la@fe2o3纳米颗粒助燃剂分散液。
31、在本发明的一种实施方式中，在步骤(1)中，所述有机溶剂包括二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、n,n-二甲基甲酰胺中的至少一种。
32、在本发明的一种实施方式中，在步骤(1)中，所述聚乙二醇单甲醚的分子量为600～2000，所述聚乙二醇单甲醚与有机溶剂的质量体积比为(1～2)kg:10l。
33、在本发明的一种实施方式中，在步骤(1)中，所述吡啶与有机溶剂的质量体积比为(0.5～2):100l。
34、在本发明的一种实施方式中，在步骤(1)中，两次搅拌时的速度均为200～500r/min，加入的二氯亚砜与有机溶剂的体积比为(2～15):10，滴加速度为0.5～2l/min。
35、在本发明的一种实施方式中，在步骤(1)中，去除溶剂采用真空蒸馏法，温度为50～80℃。
36、在本发明的一种实施方式中，在步骤(2)中，将氯代聚乙二醇单甲醚溶解于有机溶剂时，所述有机溶剂包括二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、n,n-二甲基甲酰胺中的至少一种，优选n,n-二甲基甲酰胺。
37、在本发明的一种实施方式中，在步骤(2)中，所述氯代聚乙二醇单甲醚与有机溶剂的质量体积比为(1～2)kg:10l，所述氢氧化钠与有机溶剂的质量体积比为(1～5)kg:100l，所述丙酮缩甘油与有机溶剂的质量体积比为(8～15)kg:100l。
38、在本发明的一种实施方式中，在步骤(2)中，搅拌反应时的转速为200～500r/min，使用盐酸调节反应混合液的ph，使混合液的ph为1～3。
39、在本发明的一种实施方式中，在步骤(2)中，在使用有机溶剂溶解残余物时，所述有机溶剂包括二氯甲烷、三氯甲烷、四氢呋喃、n,n-二甲基甲酰胺中的至少一种，优选三氯甲烷。
40、在本发明的一种实施方式中，在步骤(3)中，所述la@fe2o3纳米颗粒助燃剂与水的质量比为1:(0.1～0.4)。
41、在本发明的一种实施方式中，在步骤(3)中，加入甲氧基聚乙烯醇甘油醚后，所述甲氧基聚乙烯醇甘油醚的浓度为2～20％。
42、本发明还提供了一种采用上述方法制备得到的la@fe2o3纳米颗粒助燃剂分散液。
43、本发明还提供了一种la@fe2o3纳米颗粒助燃剂分散液在供暖、供热领域的应用。
44、本发明还提供了一种la@fe2o3纳米颗粒助燃剂分散液的使用方法，将上述la@fe2o3纳米颗粒助燃剂分散液经喷雾器喷射后在锅炉燃烧区域内雾化，喷射量为每立方燃气0.1-0.5kg助燃剂分散液。
45、本发明的有益效果
46、(1)本发明制备了一种具有增强氧分子活性的la@fe2o3纳米颗粒助燃剂，该助燃剂表面存在缺陷位点，助燃剂工作时，氧气和燃料分子易被吸附到助燃剂表面的缺陷位点上，镧离子可活化吸附在助燃剂表面上的氧气和燃料分子，使其形成活性物质，活性物质之间发生反应，产生燃烧产物和释放能量，本发明方法制备的la@fe2o3纳米颗粒助燃剂有助于促进燃气的燃烧，从而增加燃气的燃烧效率。
47、(2)将la@fe2o3纳米颗粒助燃剂与甲氧基聚乙烯醇甘油醚反应形成助燃剂分散液，该分散液稳定性强，从静置沉降实验结果可以看出，该助燃剂分散液的分散稳定期超过6个月，将该助燃剂分散液稀释到重量百分比浓度为0.1～0.3％时，la@fe2o3纳米颗粒助燃剂能通过3μm微孔滤膜(以配制用水量计)，可有效防止在使用过程中la@fe2o3纳米颗粒发生堵塞。
48、(3)本发明通过将la@fe2o3纳米颗粒助燃剂分散液喷射雾化，使其与燃气进行混合燃烧，该助燃剂分散液可促进燃烧反应，从而提高燃烧效率，减少氮氧化物等有害物质的排放。
49、(4)通过将la@fe2o3纳米颗粒助燃剂分散液喷射入锅炉燃烧区域形成雾化促进燃烧，设备投入少，操作方便，采用本发明获得的la@fe2o3纳米颗粒助燃剂分散液可增加燃气燃烧效率8～12％。