31.05.2023 by Dr. Carolin Fischer
On grillauksen aika! Valitse parhaat hiilet!
Kesä on grillausaikaa. Mutta oletko koskaan miettinyt, millaista puuhiiltä kannattaa käyttää? Puuhiilen laatua voidaan luonnehtia orgaanisia yhdisteitä sisältävän puuhiilen määrän, tuhkapitoisuuden ja palamisen aikana vapautuvan energian perusteella. Nämä kaikki ominaisuudet voidaan määrittää käyttämällä samanaikaista lämpöanalysaattoria NETZSCH STA. TGA-DSC-mittauksen avulla on helppo tarkistaa, onko tuotteiden välinen hintaero perusteltu laadun perusteella.
Vertailua varten valittiin kolme erilaista kaupallista puuhiiltä: pyökkipuuhiili, merkkihiili ja halpahiili alennusmyymälästä.
TG-DSC-mittaukset suoritettiin simultaanilämpöanalysaattorilla NETZSCH STA, joka oli varustettu TG-DSC-näytteenottimella tyyppiä S. Eri hiilinäytteet kuumennettiin irtotavaranäytteinä 550 °C:een inertissä ilmakehässä ja 550 °C:sta 950 °C:een hapettavassa ilmakehässä. Yksityiskohtaiset mittausolosuhteet esitetään taulukossa 1.
Pyökkipuun puuhiilinäytteen tulokset on esitetty kuvassa 1. Kolmeen massanmenetysvaiheeseen liittyi energeettisiä vaikutuksia. Ensimmäinen massahäviö 81 °C:n lämpötilassa johtui todennäköisesti veden vapautumisesta, kun taas toinen massahäviö 411 °C:n lämpötilassa on osoitus jäljellä olevien orgaanisten yhdisteiden pyrolyysistä. Nämä tapahtumat aiheuttivat kaksi endotermistä vaikutusta, joiden huippulämpötilat olivat 67 °C ja 394 °C ja entalpiat 30 J/g ja 5 J/g. Nämä tapahtumat aiheuttivat kaksi endotermistä vaikutusta. Jäljelle jääneen hiilen palaminen synteettisessä ilmakehässä johti 92 prosentin massahäviöön ja eksotermiseen vaikutukseen, jonka entalpia oli -23,315 J/g. Tämän jälkeen hiili paloi synteettisessä ilmakehässä. Tämä ei ole täydellinen palamisen entalpia, koska STA on avoin järjestelmä, joka luovuttaa osan tuotetusta energiasta puhdistuskaasujen ja vapautuvien kaasujen mukana. Tätä arvoa voidaan käyttää vain suhteelliseen vertailuun. Tuhkapitoisuuteen liittyvä jäännösmassa oli 3 prosenttia.
Kuvassa 2 esitetään eri hiilinäytteiden TGA-tulosten vertailu. Annettu lämpötilaohjelma johti kunkin näytteen osalta kahteen massan häviämisvaiheeseen inertissä ilmakehässä. Vesipitoisuuden osalta merkkihiili osoitti korkeinta arvoa, ja sen jälkeen tulivat discounter-hiili ja pyökkihiili. Eroava vesipitoisuus johtuu todennäköisesti erilaisista varastointiolosuhteista, mutta se voi johtua myös eroista pintojen ominaisuuksissa, jotka mahdollistavat veden imeytymisen.
Orgaanisten yhdisteiden osuus sen sijaan antaa tietoa puuhiilen ja briketin tuotantoprosessin valmistumisasteesta: Mitä alhaisempi orgaanisten aineiden osuus on, sitä paremmin alkuperäinen puu on pyrolysoitunut puuhiileksi tuotantoprosessin aikana, jolloin puuhiilen laatu on parempi. Verrattaessa kolmea näytettä todettiin jälleen, että pyökkipuun hiilen arvo oli alhaisin, ja seuraavaksi alhaisimmat arvot olivat merkkihiilellä ja halpahiilellä. Prosessi ei ollut vielä päättynyt 550 °C:n lämpötilassa alennusmyyntihiilen osalta, mikä tarkoittaa, että näyte sisältää orgaanisia yhdisteitä vielä tässä lämpötilassa.
Hapettavaan ilmakehään siirtymisen jälkeen jäännöshiili paloi hapen kanssa ja vapautti hiilidioksidia ja hiilimonoksidia. Myös tässä havaittiin eroja kolmen näytteen välillä. Pyökkihiilelle määritettiin yli 90 prosentin hiilipitoisuus, kun taas sekä merkkihiilen että halpahiilen hiilipitoisuus oli noin 75 prosenttia. Korkea hiilipitoisuus viittaa puuhiilen korkeaan puhtauteen.
Näin ollen kolme näytettä eroavat toisistaan myös jäännösmassan osalta, joka kuvaa puuhiilen tuhkapitoisuutta. Yllättäen merkkihiilen Tuhka SisältöTuhka on mineraalioksidipitoisuuden mitta painon perusteella. Termogravimetrinen analyysi (TGA) hapettavassa ilmakehässä on hyväksi todettu menetelmä orgaanisten materiaalien, kuten polymeerien, kumien jne. epäorgaanisen jäännöksen, jota yleisesti kutsutaan tuhkaksi, määrittämiseksi. Näin ollen TGA-mittauksella Identify voidaan selvittää, onko materiaali täytetty, ja laskea täyteainepitoisuus.tuhkapitoisuus oli yli 10 prosenttia, kun taas kahden muun hiilen Tuhka SisältöTuhka on mineraalioksidipitoisuuden mitta painon perusteella. Termogravimetrinen analyysi (TGA) hapettavassa ilmakehässä on hyväksi todettu menetelmä orgaanisten materiaalien, kuten polymeerien, kumien jne. epäorgaanisen jäännöksen, jota yleisesti kutsutaan tuhkaksi, määrittämiseksi. Näin ollen TGA-mittauksella Identify voidaan selvittää, onko materiaali täytetty, ja laskea täyteainepitoisuus.tuhkapitoisuus oli 3-5 prosenttia. Tuhkapitoisuutta voidaan pitää myös laatukriteerinä. Mitä alhaisempi Tuhka SisältöTuhka on mineraalioksidipitoisuuden mitta painon perusteella. Termogravimetrinen analyysi (TGA) hapettavassa ilmakehässä on hyväksi todettu menetelmä orgaanisten materiaalien, kuten polymeerien, kumien jne. epäorgaanisen jäännöksen, jota yleisesti kutsutaan tuhkaksi, määrittämiseksi. Näin ollen TGA-mittauksella Identify voidaan selvittää, onko materiaali täytetty, ja laskea täyteainepitoisuus.tuhkapitoisuus on, sitä pienempi on epäreaktiivisten sivutuotteiden, kuten täyteaineiden tai mineraalien, alkuperäinen osuus.
Kuvassa 3 esitettyjen DSC-signaalien vertailu osoitti, että pyökkipuun hiili vapautti eniten lämpöä hapettuvan palamisen aikana. Koska näytteet mitattiin avoimessa, ei-adiabaattisessa järjestelmässä, näitä arvoja ei voida pitää palamislämpönä. Mitattu entalpia on huomattavasti pienempi kuin palamislämpö, koska kuumat reaktiokaasut poistuvat näytteestä ja vievät vapautuneen lämmön mukanaan. Vapautuvaa lämpöä voidaan kuitenkin käyttää hyvänä suhteellisena vertailukohtana kolmen näytteen välillä.
.
Toinen mittaus tehtiin pyökkipuunäytteellä, ks. kuva 4. Odotetusti veden määrä ja orgaanisen aineen pitoisuus oli paljon suurempi. Ensimmäinen massahäviöaskel, joka koskee vettä, antoi tulokseksi 5,13 %. Lämpötilan nostaminen johti orgaanisen aineksen kaksivaiheiseen hajoamiseen, joka oli yhteensä 68,35 prosenttia. Vertailu pyökkipuun puuhiileen osoitti, että puun pyrolyysiprosessi oli lähes valmis. Orgaaninen aines väheni noin 78 prosentista alle 3 prosenttiin. Puun alhaisempi hiilipitoisuus näkyy myös hapettuvan palamisen aikana havaitussa eksotermisessä entalpiassa.
Yhteenveto
Hiilen laatuominaisuudet, kuten kosteus, Tuhka SisältöTuhka on mineraalioksidipitoisuuden mitta painon perusteella. Termogravimetrinen analyysi (TGA) hapettavassa ilmakehässä on hyväksi todettu menetelmä orgaanisten materiaalien, kuten polymeerien, kumien jne. epäorgaanisen jäännöksen, jota yleisesti kutsutaan tuhkaksi, määrittämiseksi. Näin ollen TGA-mittauksella Identify voidaan selvittää, onko materiaali täytetty, ja laskea täyteainepitoisuus.tuhkapitoisuus ja vapautuva lämpö, voidaan havaita NETZSCH Analyzing & Testingin samanaikaisen lämpöanalysaattorin STA avulla. Näiden ominaisuuksien osalta pystyttiin osoittamaan pyökkipuun puuhiilen korkea laatu, kun taas merkkipuun puuhiilen arvot eivät tässä tapauksessa olleet merkittävästi paremmat kuin halpahiilinäytteen. Lisäksi TG-DSC-menetelmä soveltuu orgaanisen aineen pyrolyysin osalta puuhiilen valmistusprosessin loppuun saattamisen valvontaan.
Toivottavasti nautit grillauksesta!
