Johdanto
Termogravimetriamenetelmät (TGA) soveltuvat erityisen hyvin palamisprosessien tutkimiseen. Niiden avulla voidaan tehdä nopeita päätelmiä enimmäkseen kiinteän polttoaineen termisestä stabiilisuudesta sekä reaktiolämpötilasta ja palamisen kinetiikasta. Lisäksi sekä palamisreaktion aikana tapahtuva massahäviö että palamaton mineraalituhkapitoisuus voidaan määrittää määrällisesti. Toisin kuin muut reaktiot, kuten HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen tai kosteuden tai liuottimien vapautuminen, palaminen on kiinteän kaasun reaktio. Sen vuoksi kaikki tavanomaiset parametrit, kuten näytteen massa, lämmitysnopeus ja puhdistuskaasun virtaus, on pidettävä vakiona, mutta mittaustuloksiin vaikuttavat myös näytteen pinta, happipitoisuus ja upokkaan geometria, jotka kaikki voivat rajoittaa reaktiokaasun pääsyä kiinteään näytteeseen.
Tämän kysymyksen selvittämiseksi tehtiin mittaussarja NETZSCH STA:lla käyttäen eri upokasgeometrioita muuten samanlaisissa olosuhteissa. Eri upokkaat on esitetty kuvissa 1 ja 3; niiden joukossa on myös lävistetty DTA-astiasto, joka on esitetty suurennettuna kuvassa 2 [1].
Tutkitut hiilimustanäytteet ovat erilaisia standardinäytteitä, kuten NIST 2975, Printex 90, aktiivihiili ja hiilipallot. Näiden halkaisija on noin 1 mm-2 mm ja rakenne on epäorgaaninen. Jauhemaisten näytteiden keskimääräinen hiukkaskoko on ilmoitettu 20 nm:n ja 50 nm:n välillä.
Tulokset
NIST 2975 -hiilimustan tutkimuksessa käytettiin kuvassa 1 esitettyjä upokkaiden tyyppejä. Upokkaan halkaisijan ja näytteiden täyttöasteen välinen suhde (saman näytemassan osalta) on esitetty kuvassa 3 ja taulukossa 1.
Taulukko 1: Kuvassa 1 esitettyjen upokkaiden mitat
Mitat (mm) | Slip-on levy | Lyhyt DTA upokas | DTA upokas | DTA upokas, lävistetty | Mini DTA* |
|---|---|---|---|---|---|
| Ø ulompi | 10 | 8 | 8 | 8 | 5 |
| Ø sisempi | 10 | 6 | 6 | 6 | 4 |
*vain vertailun vuoksi; tämä upokas ei kuulu NETZSCH upokas-tuotevalikoimaan
Käytettäessä happea huuhtelukaasuna voidaan jo havaita small eroja eri upokasgeometrioiden välillä palamislämpötilan ja palamisnopeuden (DTG) osalta (kuva 4).
Jos kuitenkin puhdistuskaasun happipitoisuutta alennetaan 20 prosenttiin (kuva 5) tai 5 prosenttiin (kuva 6), upokasgeometrialla näyttää olevan yhä tärkeämpi merkitys. Lävistetty DTA-astias ja liukulevy mahdollistavat selvästi reaktiokaasun hapen paremman pääsyn näytteeseen. Mitä huonommin reaktiokaasu kuitenkin pääsee kiinteään näytteeseen, sitä enemmän reaktio pyrkii siirtymään korkeampiin lämpötiloihin ja sitä pienempi on reaktionopeus (DTG). Kun typen ja hapen puhdistuskaasun suhde on 95:5, lävistetty DTA-astiasto on lähes yhtä "nopea" kuin liukulevy. Reaktiokäyttäytymisen osalta lävistetty DTA-astiat (kuva 2) ja lyhyt DTA-astiat ovat lähimpänä liukulevyä, jolloin näytteiden käsittely näissä kahdessa astiatyypissä on huomattavasti helpompaa kuin liukulevyssä.
Tulosten riippuvuutta puhdistuskaasun happipitoisuudesta kuvataan kuvassa 7.
Eri hiilenmustetyyppien vertailussa havaittiin merkittäviä eroja kaikkien määritettävien ominaisarvojen, kuten lämpöstabiilisuuden, palamislämpötilan, palamisnopeuden ja jäännösmassan, välillä (kuvat 8 ja 9).
Päätelmä
Esitetyt mittaukset osoittavat, että upokkaan geometria voi vaikuttaa merkittävästi näytteen ja puhdistuskaasun väliseen vuorovaikutukseen. Esimerkkinä käytettiin hiilimustan palamisreaktiota. Näytteiden vertaileva arviointi oli mahdollista muuten samanlaisissa mittausolosuhteissa, kunhan samassa testisarjassa käytettiin samaa upokkaiden tyyppiä. Perusmittausolosuhteiden, myös upokkaiden tyypin, vaikutus reaktionopeuteen on aina otettava huomioon, kun tehdään kineettisiä tutkimuksia. Tässä tapauksessa slipon-levy ja lävistetty upokas osoittautuivat sopiviksi.