| Published: 

Διαφορές ποιότητας στον εμπορικό ξυλάνθρακα

Εισαγωγή

Το καλοκαίρι είναι ώρα για μπάρμπεκιου. Αναρωτηθήκατε όμως ποτέ ποιο κάρβουνο είναι καλύτερο να χρησιμοποιήσετε Η ποιότητα του ξυλάνθρακα μπορεί να χαρακτηριστεί από την ποσότητα που περιέχει οργανικές ενώσεις, την περιεκτικότητα σε τέφρα και την ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την καύση. Όλες αυτές οι ιδιότητες μπορούν να προσδιοριστούν με τη χρήση του ταυτόχρονου θερμικού αναλυτή NETZSCH STA. Με τη βοήθεια μιας μέτρησης TGA-DSC, είναι εύκολο να ελέγξετε αν η διαφορά τιμής μεταξύ των προϊόντων δικαιολογείται από την ποιότητα.

Για τη σύγκριση επιλέχθηκαν τρία διαφορετικά είδη εμπορικών ξυλοκάρβουνων: ξυλοκάρβουνο οξιάς, επώνυμο ξυλοκάρβουνο και ένα φτηνό ξυλοκάρβουνο από εκπτωτικό κατάστημα.

Αποτελέσματα και συζήτηση

Οι μετρήσεις TGA-DSC πραγματοποιήθηκαν με ταυτόχρονο θερμικό αναλυτή, STA, εξοπλισμένο με δειγματοφορέα TGA-DSC τύπου S. Τα διάφορα δείγματα ξυλάνθρακα θερμάνθηκαν ως χύμα δείγματα στους 550°C σε αδρανή ατμόσφαιρα και από 550°C έως 950°C σε οξειδωτική ατμόσφαιρα. Για λεπτομερείς συνθήκες μέτρησης, βλέπε πίνακα 1.

Πίνακας 1: Παράμετροι μέτρησης

ΠαράμετροιΚάρβουνο οξιάςΕπωνυµικός ξυλάνθρακαςΚάρβουνο εκπτωτικού εμπορίουΞύλο οξιάς
Πρόγραμμα θερμοκρασίας

RT έως 550°C, άζωτο

550°C έως 950°C, οξειδωτική ατμόσφαιρα

Ρυθμός θέρμανσης

20 K/min

Ροή αερίου

70 ml/min

Χωνευτήρι

Πλατίνα με διάτρητο καπάκι

Φορέας δείγματος

TGA-DSC, τύπος S

Μάζα δείγματος9.49 mg10.03 mg9.94 mg7.83 mg

Τα αποτελέσματα για το δείγμα ξυλάνθρακα οξιάς απεικονίζονται στο σχήμα 1. Τα τρία στάδια απώλειας μάζας συνοδεύονταν από ενεργειακές επιδράσεις. Το πρώτο βήμα απώλειας μάζας, στους 81°C, προκλήθηκε πιθανώς από την απελευθέρωση νερού, ενώ η δεύτερη απώλεια μάζας, στους 411°C, αποτελεί ένδειξη της πυρόλυσης των υπολειπόμενων οργανικών ενώσεων. Τα γεγονότα αυτά προκάλεσαν δύο ενδόθερμες επιδράσεις με μέγιστες θερμοκρασίες 67°C και 394°C και ενθαλπίες 30 J/g και 5 J/g. Η καύση του εναπομείναντος άνθρακα υπό ατμόσφαιρα συνθετικού αέρα οδήγησε σε απώλεια μάζας 92% και σε εξώθερμο φαινόμενο με ενθαλπία -23.315 J/g. Αυτή δεν είναι η πλήρης ενθαλπία καύσης, καθώς η ΣΤΑ είναι ένα ανοικτό σύστημα που εκπέμπει μέρος της παραγόμενης ενέργειας με τα αέρια καθαρισμού και τα εκλυόμενα αέρια. Η τιμή αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο για σχετική σύγκριση. Η υπολειμματική μάζα που σχετίζεται με την περιεκτικότητα σε τέφρα ανήλθε σε 3%.

1) Εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία μεταβολή μάζας (TGA, πράσινο), καμπύλη ροής θερμότητας (DSC, μπλε) και ρυθμός μεταβολής μάζας (DTG, μαύρο) ξυλάνθρακα οξιάς.

Στο Σχήμα 2 απεικονίζεται η σύγκριση των αποτελεσμάτων της TGA για τα διάφορα δείγματα ξυλάνθρακα. Το συγκεκριμένο πρόγραμμα θερμοκρασίας οδήγησε σε δύο στάδια απώλειας μάζας για κάθε δείγμα υπό αδρανή ατμόσφαιρα. Όσον αφορά την περιεκτικότητα σε νερό, ο επώνυμος ξυλάνθρακας παρουσίασε την υψηλότερη τιμή, ακολουθούμενος από τον ξυλάνθρακα discounter και τον ξυλάνθρακα από ξύλο οξιάς. Η διαφορετική περιεκτικότητα σε νερό οφείλεται πιθανότατα στις διαφορετικές συνθήκες αποθήκευσης, αλλά μπορεί επίσης να οφείλεται σε διαφορές στις ιδιότητες των επιφανειών που επιτρέπουν την απορρόφηση νερού.

2) Εξαρτώμενες από τη θερμοκρασία μεταβολές μάζας (TGA) και ατμόσφαιρα αερίων των επώνυμων μπρικετών ξυλάνθρακα, του ξυλάνθρακα οξιάς και του ξυλάνθρακα discounter.

Αντίθετα, το ποσοστό των οργανικών ενώσεων παρέχει πληροφορίες σχετικά με το επίπεδο ολοκλήρωσης της διαδικασίας παραγωγής του ξυλάνθρακα και των μπρικετών: Όσο χαμηλότερη είναι η περιεκτικότητα σε οργανικές ουσίες, τόσο καλύτερη είναι η πυρόλυση του αρχικού ξύλου σε ξυλάνθρακα κατά τη διαδικασία παραγωγής, αποδίδοντας ξυλάνθρακα υψηλότερης ποιότητας. Συγκρίνοντας τα τρία δείγματα, και πάλι ο ξυλάνθρακας από ξύλο οξιάς παρουσίασε τη χαμηλότερη τιμή, ακολουθούμενος από τον επώνυμο ξυλάνθρακα και τον ξυλάνθρακα discounter. Η διαδικασία αυτή δεν είχε ακόμη ολοκληρωθεί στους 550°C για τον ξυλάνθρακα discounter, πράγμα που σημαίνει ότι το δείγμα περιέχει ακόμη οργανικές ενώσεις σε αυτή τη θερμοκρασία.

Μετά τη μετάβαση σε οξειδωτική ατμόσφαιρα, ο υπολειπόμενος άνθρακας κάηκε με οξυγόνο και απελευθέρωσε διοξείδιο του άνθρακα και μονοξείδιο του άνθρακα. Και εδώ παρατηρήθηκαν διαφορές μεταξύ των τριών δειγμάτων. Για τον ξυλάνθρακα οξιάς προσδιορίστηκε περιεκτικότητα σε άνθρακα άνω του 90%, ενώ τόσο ο επώνυμος ξυλάνθρακας όσο και ο ξυλάνθρακας του discounter έδειξαν τιμές άνθρακα γύρω στο 75%. Η υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα υποδηλώνει υψηλή καθαρότητα του ξυλάνθρακα.

Κατά συνέπεια, τα τρία δείγματα διαφέρουν επίσης ως προς την υπολειμματική τους μάζα, η οποία χαρακτηρίζει την περιεκτικότητα του ξυλάνθρακα σε τέφρα. Παραδόξως, ο επώνυμος ξυλάνθρακας απέδωσε πάνω από 10% τέφρα, ενώ οι άλλοι δύο παρουσίασαν τιμές μεταξύ 3% και 5%. Η περιεκτικότητα σε τέφρα μπορεί επίσης να θεωρηθεί ως κριτήριο ποιότητας. Όσο χαμηλότερη είναι η περιεκτικότητα σε τέφρα, τόσο μικρότερο είναι το αρχικό ποσοστό των μη αντιδραστικών παράπλευρων προϊόντων, όπως τα πληρωτικά υλικά ή τα ανόργανα άλατα.

Η σύγκριση των σημάτων DSC, που απεικονίζεται στο σχήμα 3, έδειξε ότι ο ξυλάνθρακας οξιάς απελευθέρωσε την περισσότερη θερμότητα κατά την οξειδωτική καύση. Καθώς τα δείγματα μετρήθηκαν σε ανοικτό, μη αδιαβατικό σύστημα, οι τιμές αυτές δεν μπορούν να θεωρηθούν ως η θερμότητα καύσης.

3) Καμπύλες ροής θερμότητας εξαρτώμενες από τη θερμοκρασία (DSC) και ατμόσφαιρα αερίου του επώνυμου ξυλάνθρακα, του ξυλάνθρακα οξιάς και του ξυλάνθρακα discounter.

Η μετρούμενη ενθαλπία είναι σημαντικά χαμηλότερη από τη θερμότητα καύσης, καθώς τα θερμά αέρια της αντίδρασης εγκαταλείπουν το δείγμα και παίρνουν μαζί τους την εκλυόμενη θερμότητα. Ωστόσο, η εκλυόμενη θερμότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μια καλή σχετική σύγκριση των τριών δειγμάτων.

Πραγματοποιήθηκε περαιτέρω μέτρηση σε δείγμα ξύλου οξιάς- βλέπε σχήμα 4. Όπως αναμενόταν, η ποσότητα του νερού και η περιεκτικότητα σε οργανικά συστατικά ήταν πολύ υψηλότερες. Το πρώτο βήμα απώλειας μάζας, το οποίο αναφέρεται στο νερό, κατέληξε σε 5,13%. Η αύξηση της θερμοκρασίας οδήγησε σε αποσύνθεση σε δύο στάδια του οργανικού περιεχομένου που ανήλθε συνολικά σε 68,35%. Η σύγκριση με τον ξυλάνθρακα από ξύλο οξιάς έδειξε ότι η διαδικασία παραγωγής ξυλάνθρακα με πυρόλυση του ξύλου ήταν σχεδόν πλήρης. Το οργανικό περιεχόμενο μειώθηκε από περίπου 78% σε λιγότερο από 3%. Η χαμηλότερη περιεκτικότητα του ξύλου σε άνθρακα αντικατοπτρίζεται επίσης στην εξώθερμη ενθαλπία που ανιχνεύθηκε κατά την οξειδωτική καύση.

4) Εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία μεταβολή μάζας (TGA, πράσινο), καμπύλη ροής θερμότητας (DSC, μπλε) και ατμόσφαιρα αερίων του ξύλου οξιάς και του ξυλάνθρακα οξιάς.

Περίληψη

Τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των κάρβουνων, όπως η υγρασία, η περιεκτικότητα σε τέφρα και η εκλυόμενη θερμότητα, μπορούν να ανιχνευθούν με τη βοήθεια του ταυτόχρονου θερμικού αναλυτή STA της NETZSCH Analyzing & Testing. Ήταν δυνατόν να καταδειχθεί η υψηλή ποιότητα του ξυλάνθρακα οξιάς όσον αφορά τις ιδιότητες αυτές, ενώ ο επώνυμος ξυλάνθρακας δεν παρουσίασε σημαντικά καλύτερες τιμές από ένα δείγμα ξυλάνθρακα από discounter στη συγκεκριμένη περίπτωση. Επιπλέον, η μέθοδος TGA-DSC είναι κατάλληλη για τον έλεγχο της ολοκλήρωσης της διαδικασίας παραγωγής ξυλάνθρακα όσον αφορά την πυρόλυση των οργανικών υλικών.

Απολαύστε το μπάρμπεκιου σας!