Pendahuluan
Analisis termogravimetri (TGA) digunakan secara luas untuk mempelajari siklus reduksi/OksidasiOksidasi dapat menggambarkan proses yang berbeda dalam konteks analisis termal.oksidasi oksida logam/logam untuk aplikasi energi netral karbon. Studi [Chen dkk., 2024; Cerciello dkk., 2024] telah menunjukkan bahwa siklus reduksi/OksidasiOksidasi dapat menggambarkan proses yang berbeda dalam konteks analisis termal.oksidasi berulang dengan hidrogen dalam atmosfer terkendali dapat menyebabkan perubahan struktural logam dan oksida logam yang memengaruhi reaktivitas. Hasil dari makalah ini memberikan wawasan tentang perubahan struktural dalam kondisi non-IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal dan IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal, yang mengungkapkan pengaruh suhu dan komposisi gas pada kinetika reaksi. Selain itu, peran hidrogen dalam proses metalurgi tingkat lanjut telah dieksplorasi, khususnya dalam reduksi langsung bijih besi [Abanades & Rodat, 2024]. Eksperimen tersebut menggunakan NETZSCH STA 449 F3 Jupiter® ® sistem untuk pengukuran TGA IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal dan non-IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal pada suhu 400°C hingga 1000°C dengan konsentrasi H2 yang berbeda (hingga 50%) dalam campuran dengan Ar. Penelitian ini berhasil menunjukkan bahwa hidrogen adalah reduktor yang sangat efektif untuk Fe₂O₃, mencapai konversi penuh menjadi besi logam dalam kondisi eksperimental yang terkendali. Proses reduksi dimulai pada suhu 370°C hingga 400°C dan berakselerasi secara signifikan di atas 800°C, yang menegaskan bahwa reduksi hidrogen dapat beroperasi pada suhu yang relatif moderat dibandingkan dengan proses berbasis karbon tradisional.
Seperti yang telah kita bahas pada bagian sebelumnya [Rosenschon et. al. - Catatan Aplikasi 388], reduksi besi (III) oksida (Fe₂O₃) dalam atmosfer yang mengandung hidrogen berlangsung melalui serangkaian langkah yang terdefinisi dengan baik yang sangat dipengaruhi oleh suhu. Prediksi termodinamika menunjukkan urutan berikut ini: Fe₂O₃ → Fe₃O₄ (magnetit) → FeO (wüstite) → Fe, dengan total kehilangan massa teoretis sekitar 30%. Pembentukan fase peralihan bergantung pada suhu; khususnya, wüstite (FeO) hanya stabil pada suhu di atas sekitar 570°C. Pada suhu yang lebih rendah, reduksi melewati fase ini, yang mengarah ke konversi langsung dari magnetit ke besi logam.
Dalam catatan aplikasi ini, kami mendemonstrasikan bagaimana konsentrasi hidrogen memengaruhi kinetika reduksi oksida besi (Fe₂O₃, hematit) pada suhu 1000 °C. Dengan mencampurkan hidrogen dengan argon, tiga konsentrasi yang berbeda ditetapkan (10%, 50%, dan 100%).
Instrumentasi
Pengukuran dilakukan dengan menggunakan STA 4491 yang dilengkapi dengan tungku SiC, tempat sampel TGA (tipe P), dan wadah Al₂O₃ terbuka. Pengoperasian yang aman di bawah atmosfer yang mengandung hidrogen, termasuk hingga 100% H₂, dipastikan oleh kotak H₂Secure. Sistem ini memiliki unit kontrol terpusat untuk pengaturan gas, pemantauan H₂ dan O₂ secara terus menerus, dan mekanisme pengaman kegagalan yang secara otomatis membersihkan hidrogen dengan gas lembam jika terjadi kerusakan.
Keempat sampel dipanaskan dari suhu kamar hingga 1000°C di bawah atmosfer argon 100%, diikuti dengan langkah IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal selama 10 menit. Konsentrasi hidrogen yang sesuai (10%, 50%, dan 100%) kemudian dimasukkan untuk tahap IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal tambahan dengan durasi yang cukup untuk memastikan reduksi lengkap Fe₂O₃ menjadi besi logam.
1Eksperimendilakukan dengan menggunakan versi sebelumnya (STA 449) dari seri instrumen STA 509 yang sepenuhnya kompatibel dengan versi saat ini dan memberikan akurasi dan kualitas hasil yang sebanding.
Hasil Eksperimental dan Diskusi
Dua tahap utama reaksi reduksi dapat diamati berdasarkan kurva TGA (gambar 1 dan 2), yang dapat diringkas sebagai berikut:
Fe2O3 +H2 => 2FeO +H2O- kehilangan massaO2 secara teoritis adalah 10,02%, dihitung dari stoikiometri.
FeO +H2 => Fe +H2O- kehilangan massa teoritisO2 22,27%, dihitung dari stoikiometri.
Total kehilangan massa yang terkait dengan massa awal Fe2O3 seharusnya 30,06%.
Seperti yang ditunjukkan pada tabel 1, total kehilangan massa untuk keempat sampel adalah 29,75 ± 0,01%, menyimpang hanya 0,31% dari nilai teoritis. Penyimpangan ini dapat disebabkan oleh pengotor kecil pada Fe₂O₃ awal. Perlu dicatat bahwa selama pemanasan pertama dari keempat sampel dari suhu kamar hingga 1000 ° C di bawah 100% argon, kehilangan massa sekitar 2,75% ± 0,07% (tabel 1), yang dapat dikaitkan dengan air yang terserap dan besi hidroksida yang terbentuk. Oleh karena itu, semua nilai dihitung ulang berdasarkan massa Fe2O3 yang dimurnikan (tabel 1).
Tabel 1: Hasil termogravimetri dari reaksi reduksi besi oksida (Fe2O3) menjadi besi murni (Fe) dengan berbagai konsentrasi hidrogen 10%, 50%, dan 100% dalam campuran dengan argon dan massa sampel yang berbeda.
H2 [%] | Kehilangan massa pada pemanasan pertama hingga 1000°C [%] | Kehilangan massa Fe2O3 yang dimurnikan [mg] | Kehilangan massa yang terkait dengan reaksi reduksi tahappertama [%] | Kehilangan massa pada suhu 1000°C [%] | Waktu pada 25% kehilangan massa |
|---|---|---|---|---|---|
| 10 | 2.68 | 29.28 | 8.71 | 29.74 | 16 menit 0 detik |
| 50 | 2.72 | 29.28 | 8.88 | 29.75 | 2 menit 49 detik |
| 100 | 2.75 | 29.24 | 9.10 | 29.75 | 1 menit 9 detik |
| 100 | 2.82 | 163.36 | 8.22 | 29.76 | 4 menit 36 detik |
Kinetika Pengurangan
- Pada 100% hidrogen, proses reduksi secara signifikan lebih cepat, sebagaimana dibuktikan oleh lereng yang lebih curam dalam kurva pengukuran. Hal ini mengindikasikan tingkat konversi oksida besi yang cepat dan efisien menjadi besi logam pada suhu ini. Perlu dicatat bahwa dengan meningkatkan massa awal dari 30 mg menjadi 168 mg, waktu ikat reduksi berubah dari 1 menit menjadi 4,5 menit (gambar 2, tabel 1).
- Dengan konsentrasi hidrogen yang lebih rendah (50% dan 10%), laju reduksi melambat secara nyata, tercermin dari kemiringan yang lebih bertahap pada kurva.
- Keempat kurva TGA (gambar 1 dan 2) menunjukkan perubahan laju kehilangan massa sekitar 8% - 9%, sesuai dengan pembentukan FeO atau fase larutan padat antara Fe3O4 dan FeO, sesuai dengan diagram fasa yang ada untuk sistem ini [Zhang, 2023]. Nilai ini sedikit menyimpang dari perubahan massa teoritis untuk tahap ini (10,02%), mungkin karena tumpang tindih dengan tahap reaksi reduksi berikutnya.
- Perubahan kemiringan selama tahap kedua reaksi reduksi menunjukkan proses yang lebih lambat dan lebih banyak memakan energi daripada tahap pertama.
Ringkasan
Reduksi Fe₂O₃ diatur oleh beberapa parameter penting, termasuk suhu, konsentrasi hidrogen, luas permukaan, dan massa sampel. Di bawah kondisi IsotermalPengujian pada suhu yang terkendali dan konstan disebut isotermal.isotermal pada suhu 1000°C dalam atmosfer hidrogen, dua tahap reduksi dominan diamati pada kurva TGA. Pengamatan ini konsisten dengan temuan sebelumnya [Rosenschon dkk., Catatan Aplikasi 388], di mana perilaku serupa dilaporkan pada suhu 1000 ° C di bawah campuran 4% H₂ / N₂.
Efisiensi reaksi meningkat secara signifikan dengan konsentrasi hidrogen dan menurun dengan massa sampel yang lebih besar. Pada 100% H₂, reduksi berlangsung sangat cepat, sehingga sulit untuk menyelesaikan langkah peralihan karena laju reaksi yang tinggi. Namun demikian, pembentukan sementara FeO dan reduksi selanjutnya menjadi logam Fe menekankan kompleksitas kinetika yang mendasarinya. Wawasan ini sangat penting untuk mengoptimalkan proses reduksi berbasis hidrogen dalam aplikasi metalurgi, menyeimbangkan kecepatan reaksi dengan kontrol atas fase peralihan.
Seri NETZSCH STA 509/449, dikombinasikan dengan sistem H₂Secure, menyediakan platform yang kuat untuk penyelidikan semacam itu. Hal ini memungkinkan pengukuran termogravimetri dan kalorimetri yang tepat di bawah atmosfer kaya hidrogen dan gas campuran yang terkendali sambil memastikan keamanan operasional yang maksimal. Pengaturan canggih ini mendukung berbagai aplikasi, termasuk studi siklus redoks, optimasi katalis, dan pengembangan teknologi berbasis hidrogen untuk metalurgi dan penyimpanan energi.