Въведение
Лятото е време за барбекю. Но чудили ли сте се кои въглища е най-добре да използвате? Качеството на дървените въглища може да се характеризира с количеството съдържащи органични съединения, съдържанието на пепел и енергията, която се отделя при горенето. Всички тези свойства могат да бъдат определени с помощта на едновременния термичен анализатор NETZSCH STA. С помощта на TGA-DSC измерването е лесно да се провери дали разликата в цените на продуктите е оправдана от качеството.
За сравнение бяха избрани три различни вида дървени въглища от търговската мрежа: дървени въглища от букова дървесина, дървени въглища с търговска марка и евтини дървени въглища от магазин за намаления.
Резултати и обсъждане
Измерванията на TGA-DSC бяха извършени с едновременен термичен анализатор, STA, оборудван с TGA-DSC носител на проби тип S. Различните проби от дървени въглища бяха нагрявани като насипни проби до 550°C в инертна атмосфера и от 550°C до 950°C в окислителна атмосфера. За подробните условия на измерване вижте таблица 1.
Таблица 1: Параметри на измерването
| Параметри | Букови дървени въглища | Маркови дървени въглища | Дървени въглища от дискаунтър | Букови дърва |
|---|---|---|---|---|
| Температурна програма | RT до 550°C, азот 550°C до 950°C, окислителна атмосфера | |||
| Скорост на нагряване | 20 K/min | |||
| Газов поток | 70 ml/min | |||
| Тигел | Платинен с пробит капак | |||
| Носител на пробата | TGA-DSC, тип S | |||
| Маса на пробата | 9.49 mg | 10.03 mg | 9.94 mg | 7.83 mg |
Резултатите за пробата от дървени въглища от букова дървесина са показани на фигура 1. Трите етапа на загуба на маса са придружени от енергийни ефекти. Първата стъпка на загуба на маса, при 81°C, вероятно е причинена от отделянето на вода, докато втората загуба на маса, при 411°C, е индикация за пиролиза на остатъчни органични съединения. Тези събития са предизвикали два ендотермични ефекта с пикови температури от 67°C и 394°C и енталпии от 30 J/g и 5 J/g. Изгарянето на останалия въглерод в атмосфера на синтетичен въздух доведе до загуба на маса от 92% и екзотермичен ефект с енталпия от -23,315 J/g. Това не е пълната енталпия на горене, тъй като STA е отворена система, която излъчва част от генерираната енергия с продухващите газове и освободените газове. Тази стойност може да се използва само за относително сравнение. Остатъчната маса, свързана със съдържанието на пепел, възлиза на 3 %.
На фигура 2 е представено сравнението на резултатите от TGA за различните проби от дървени въглища. Дадената температурна програма доведе до две стъпки на загуба на маса за всяка проба в инертна атмосфера. По отношение на водното съдържание най-висока стойност показаха дървените въглища с търговска марка, следвани от дървените въглища от дискаунтър и дървените въглища от букова дървесина. Различното съдържание на вода най-вероятно се дължи на различните условия на съхранение, но може да бъде причинено и от разликите в свойствата на повърхностите, които позволяват абсорбирането на вода.
За разлика от тях делът на органичните съединения дава информация за степента на завършеност на производствения процес на дървените въглища и брикетите: Колкото по-ниско е съдържанието на органични вещества, толкова по-добра е пиролизата на първоначалната дървесина до дървени въглища по време на производствения процес, което води до по-високо качество на дървените въглища. При сравняване на трите проби най-ниска стойност отново показват дървените въглища от букова дървесина, следвани от дървените въглища с търговска марка и дървените въглища от дискаунтър. Този процес все още не е приключил при 550 °C за дървените въглища от дискаунтъра, което означава, че пробата все още съдържа органични съединения при тази температура.
След преминаване към окислителна атмосфера остатъчният въглерод изгоря с кислород и се освободиха въглероден диоксид и въглероден оксид. И тук се наблюдават разлики между трите проби. Съдържанието на въглерод в буковите дървени въглища е над 90 %, докато както при въглищата с търговска марка, така и при въглищата от дискаунтър са установени стойности от около 75 % въглерод. Високото съдържание на въглерод показва висока чистота на дървените въглища.
Следователно трите проби се различават и по отношение на остатъчната си маса, която характеризира съдържанието на пепел в дървените въглища. Изненадващо, дървените въглища с търговска марка дават повече от 10 % пепел, докато другите две показват стойности между 3 и 5 %. Съдържанието на пепел може да се разглежда и като критерий за качество. Колкото по-ниско е съдържанието на пепел, толкова по-малък е първоначалният дял на нереактивни странични продукти като пълнители или минерали.
Сравнението на DSC сигналите, представено на фигура 3, показва, че дървените въглища от букова дървесина отделят най-много топлина по време на окислителното горене. Тъй като пробите са измерени в отворена, неадиабатна система, тези стойности не могат да се разглеждат като топлина на изгаряне.
Измерената енталпия е значително по-ниска от топлината на горене, тъй като горещите реакционни газове напускат пробата и отнемат освободената топлина със себе си. Въпреки това освободената топлина може да се използва за добро относително сравнение на трите проби.
Допълнително измерване е извършено върху образец от букова дървесина; вж. фигура 4. Както се очакваше, количеството на водата и съдържанието на органични вещества бяха много по-високи. Първата стъпка на загуба на маса, която се отнася до водата, доведе до 5,13 %. Повишаването на температурата доведе до двустепенно разлагане на органичното съдържание, което възлиза на общо 68,35 %. Сравнението с дървените въглища от букова дървесина показва, че процесът на производство на дървени въглища при пиролиза на дървесината е почти завършен. Органичното съдържание е намаляло от около 78 % до по-малко от 3 %. По-ниското съдържание на въглерод в дървесината е отразено и в екзотермичната енталпия, установена по време на окислителното горене.
Резюме
Качествените характеристики на дървените въглища, като влага, съдържание на пепел и отделена топлина, могат да бъдат определени с помощта на едновременния термичен анализатор STA на NETZSCH Analyzing & Testing. Беше възможно да се докаже високото качество на дървените въглища от букова дървесина по отношение на тези свойства, докато в този конкретен случай марковите дървени въглища не показаха значително по-добри стойности от пробата на дървени въглища от дискаунтър. Освен това методът TGA-DSC е подходящ за контрол на завършването на процеса на производство на дървени въглища по отношение на пиролизата на органични материали.
Насладете се на барбекюто си!