31.05.2023 by Dr. Carolin Fischer
حان وقت الشواء! اختر أفضل أنواع الفحم!
وقت الصيف هو وقت الشواء. ولكن هل تساءلت يومًا ما هو الفحم الأفضل للاستخدام؟ يمكن تمييز جودة الفحم من خلال الكمية التي تحتوي على مركبات عضوية ومحتوى الرماد والطاقة المنبعثة أثناء الاحتراق. هذه كلها خصائص يمكن تحديدها باستخدام المحلل الحراري المتزامن NETZSCH STA. وبمساعدة قياس TGA-DSC، من السهل التحقق مما إذا كان فرق السعر بين المنتجات له ما يبرره من حيث الجودة.
ولأغراض المقارنة، تم اختيار ثلاثة أنواع مختلفة من الفحم التجاري: فحم خشب الزان، وفحم من علامة تجارية وفحم رخيص من متجر خصومات.
تم إجراء قياسات TG-DSC باستخدام جهاز التحليل الحراري المتزامن NETZSCH STA المجهز بحامل عينة TG-DSC من النوع S. تم تسخين عينات الفحم المختلفة كعينات سائبة إلى 550 درجة مئوية في جو خامل ومن 550 درجة مئوية إلى 950 درجة مئوية في جو مؤكسد. للاطلاع على ظروف القياس التفصيلية، انظر الجدول 1.
تم رسم النتائج لعينة فحم خشب الزان في الشكل 1. كانت الخطوات الثلاث لفقدان الكتلة مصحوبة بتأثيرات حيوية. ربما كانت خطوة فقدان الكتلة الأولى، عند درجة حرارة 81 درجة مئوية، ناتجة عن إطلاق الماء، في حين أن فقدان الكتلة الثانية، عند 411 درجة مئوية، هو مؤشر على الانحلال الحراري للمركبات العضوية المتبقية. تسببت هذه الأحداث في حدوث تأثيرين ماص للحرارة عند درجتي حرارة قصوى تبلغ 67 درجة مئوية و394 درجة مئوية ومعامل إنثالبي يبلغ 30 جول/غرام و5 جول/غرام. وأدى احتراق الكربون المتبقي تحت جو هواء اصطناعي إلى فقدان كتلة بنسبة 92% وتأثير طارد للحرارة مع إنثالبي -23,315 جول/غرام. هذا ليس إنثالبي الاحتراق الكامل، حيث إن STA هو نظام مفتوح ينبعث منه جزء من الطاقة المتولدة مع غازات التطهير والغازات المنبعثة. يمكن استخدام هذه القيمة فقط للمقارنة النسبية. بلغت الكتلة المتبقية المتعلقة بمحتوى الرماد 3%.
يوضح الشكل 2 مقارنة نتائج TGA لعينات الفحم المختلفة. أدى برنامج درجة الحرارة المحدد إلى خطوتين لفقدان الكتلة لكل عينة تحت جو خامل. فيما يتعلق بالمحتوى المائي، أظهر الفحم ذو العلامة التجارية أعلى قيمة، يليه فحم الخشب الرديء وفحم خشب الزان. ويرجع اختلاف المحتوى المائي على الأرجح إلى اختلاف ظروف التخزين، ولكن قد يكون أيضًا بسبب الاختلافات في خصائص الأسطح التي تسمح بامتصاص الماء.
وفي المقابل، فإن نسبة المركبات العضوية تعطي معلومات حول مستوى اكتمال عملية الإنتاج للفحم والقوالب: فكلما انخفض المحتوى العضوي، كلما كان التحلل الحراري للخشب الأولي إلى فحم نباتي أفضل أثناء عملية الإنتاج، مما ينتج عنه فحم نباتي أعلى جودة. وبمقارنة العينات الثلاث، أظهر فحم خشب الزان مرة أخرى أقل قيمة، يليه فحم العلامة التجارية وفحم الخشب المخصّص. لم تكن هذه العملية قد انتهت بعد عند درجة حرارة 550 درجة مئوية بالنسبة للفحم الخشن، مما يعني أن العينة لا تزال تحتوي على مركبات عضوية عند درجة الحرارة هذه.
بعد التحويل إلى جو مؤكسد، تم حرق الكربون المتبقي مع الأكسجين وأطلق ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون. وهنا أيضًا، لوحظت اختلافات بين العينات الثلاث. تم تحديد محتوى الكربون بنسبة تزيد عن 90٪ لفحم خشب الزان، في حين أظهر كل من فحم العلامة التجارية وفحم الخصم قيمًا تبلغ حوالي 75٪ من الكربون. يشير ارتفاع محتوى الكربون إلى ارتفاع نقاء الفحم.
وبالتالي، تختلف العينات الثلاث أيضًا من حيث كتلتها المتبقية، والتي تميز محتوى الرماد في الفحم. ومن المثير للدهشة أن فحم العلامة التجارية أنتج أكثر من 10% من الرماد، بينما أظهر الفحمان الآخران قيمًا تتراوح بين 3% و5%. يمكن أيضًا اعتبار محتوى الرماد معيارًا للجودة. فكلما انخفض محتوى الرماد، قلت النسبة الأولية للنواتج الجانبية غير التفاعلية مثل الحشوات أو المعادن.
أظهرت المقارنة بين إشارات DSC، الموضحة في الشكل 3، أن فحم خشب الزان أطلق معظم الحرارة أثناء الاحتراق التأكسدي. ونظرًا لأن العينات تم قياسها في نظام مفتوح غير استاتيكي، لا يمكن اعتبار هذه القيم على أنها حرارة الاحتراق. فالحرارة الحرارية المقاسة أقل بكثير من حرارة الاحتراق، حيث إن غازات التفاعل الساخنة تغادر العينة وتأخذ معها الحرارة المنطلقة. ومع ذلك، يمكن استخدام الحرارة المنطلقة كمقارنة نسبية جيدة بين العينات الثلاث.
تم إجراء قياس آخر باستخدام عينة من خشب الزان، انظر الشكل 4. وكما هو متوقع، كانت كمية الماء والمحتوى العضوي أعلى بكثير. وقد أسفرت الخطوة الأولى لفقدان الكتلة، والتي تشير إلى الماء، عن 5.13%. وأدت زيادة درجة الحرارة إلى تحلل المحتوى العضوي على مرحلتين بنسبة 68.35% في المجموع. أظهرت المقارنة مع فحم خشب الزان أن عملية إنتاج الفحم النباتي بالتحلل الحراري للخشب كانت شبه كاملة. انخفض المحتوى العضوي من حوالي 78% إلى أقل من 3%. ينعكس انخفاض محتوى الكربون في الخشب أيضًا في المحتوى الطارد للحرارة الذي تم اكتشافه أثناء الاحتراق التأكسدي.
ملخص
يمكن الكشف عن خصائص جودة الفحم النباتي مثل الرطوبة ومحتوى الرماد والحرارة المنبعثة بمساعدة المحلل الحراري المتزامن، STA، من شركة NETZSCH للتحليل والاختبار. كان من الممكن إثبات الجودة العالية لفحم خشب الزان فيما يتعلق بهذه الخصائص، في حين أن الفحم الذي يحمل علامة تجارية لم يُظهر قيمًا أفضل بكثير من عينة الفحم الرديء في هذه الحالة بالذات. بالإضافة إلى ذلك، فإن طريقة TG-DSC مناسبة للتحكم في اكتمال عملية إنتاج الفحم فيما يتعلق بالتحلل الحراري للمواد العضوية.
نأمل أن تستمتع بالشواء!
