소개
여름은 바비큐 시즌입니다. 하지만 어떤 숯을 사용하는 것이 가장 좋은지 궁금한 적이 있으신가요? 숯의 품질은 유기 화합물 함유량, 재 함량 및 연소 시 방출되는 에너지로 특징 지을 수 있습니다. 이러한 모든 특성은 동시 열 분석기 NETZSCH STA를 사용하여 측정할 수 있습니다. TGA-DSC 측정의 도움으로 제품 간의 가격 차이가 품질에 의해 정당화되는지 쉽게 확인할 수 있습니다.
비교를 위해 너도밤나무 숯, 브랜드 숯, 할인점에서 판매하는 저렴한 숯 등 세 가지 종류의 상업용 숯을 선택했습니다.
결과 및 토론
다양한 숯 시료를 불활성 분위기에서 550°C까지, 산화 분위기에서 550°C~950°C까지 가열한 후 TGA-DSC 샘플 캐리어 타입 S를 장착한 동시 열 분석기 STA를 사용하여 TGA-DSC 측정을 수행했습니다. 자세한 측정 조건은 표 1을 참조하세요.
표 1: 측정 매개변수
| 파라미터 | 너도밤나무 숯 | 브랜드 숯 | 할인점 숯 | 너도밤나무 |
|---|---|---|---|---|
| 온도 프로그램 | RT ~ 550°C, 질소 550°C ~ 950°C, 산화 분위기 | |||
| 가열 속도 | 20 K/min | |||
| 가스 유량 | 70 ml/min | |||
| 도가니 | 피어싱 뚜껑이 있는 플래티넘 | |||
| 시료 캐리어 | TGA-DSC, 유형 S | |||
| 시료 질량 | 9.49 mg | 10.03 mg | 9.94 mg | 7.83 mg |
너도밤나무 숯 샘플의 결과는 그림 1에 표시되어 있습니다. 세 단계의 질량 손실에는 에너지 효과가 수반되었습니다. 81°C에서 첫 번째 질량 손실 단계는 수분 방출로 인한 것으로 보이며, 411°C에서 두 번째 질량 손실은 잔류 유기 화합물의 열분해로 인한 것으로 보입니다. 이러한 사건은 67°C와 394°C의 최고 온도와 30J/g 및 5J/g의 엔탈피에서 두 가지 흡열 효과를 일으켰습니다. 합성 공기 분위기에서 잔류 탄소를 연소시킨 결과 92%의 질량 손실과 -23,315 J/g의 엔탈피로 발열 효과가 발생했습니다. STA는 퍼지 가스 및 방출 가스와 함께 생성된 에너지의 일부를 방출하는 개방형 시스템이기 때문에 이는 완전한 연소 엔탈피가 아닙니다. 이 값은 상대적인 비교에만 사용할 수 있습니다. 재 함량과 관련된 잔류 질량은 3%에 달했습니다.
그림 2는 다양한 숯 시료에 대한 TGA 결과를 비교한 것입니다. 주어진 온도 프로그램에 따라 불활성 분위기에서 각 샘플에 대해 두 단계의 질량 손실이 발생했습니다. 수분 함량 측면에서 브랜드 숯이 가장 높은 값을 보였고, 그다음으로 할인점 숯과 너도밤나무 숯이 그 뒤를 이었습니다. 수분 함량의 차이는 보관 조건이 다르기 때문일 가능성이 높지만, 수분을 흡수할 수 있는 표면의 특성 차이로 인해 발생할 수도 있습니다.
반대로 유기 화합물의 비율은 숯과 연탄의 생산 공정 완료 수준에 대한 정보를 제공합니다: 유기물 함량이 낮을수록 생산 과정에서 초기 목재가 숯으로 열분해되어 더 높은 품질의 숯을 생산할 수 있습니다. 세 가지 샘플을 비교한 결과 너도밤나무 숯이 가장 낮은 값을 보였고, 그다음으로 브랜드 숯과 할인점 숯이 그 뒤를 이었습니다. 할인점 숯의 경우 이 과정이 550°C에서 아직 끝나지 않았기 때문에 이 온도에서 샘플에 여전히 유기 화합물이 포함되어 있습니다.
산화 분위기로 전환한 후 잔류 탄소는 산소와 함께 연소되어 이산화탄소와 일산화탄소를 방출했습니다. 여기서도 세 샘플 간의 차이가 관찰되었습니다. 너도밤나무 숯은 90% 이상의 탄소 함량이 측정된 반면, 브랜드 숯과 할인점 숯은 모두 약 75%의 탄소 함량을 보였습니다. 탄소 함량이 높다는 것은 숯의 순도가 높다는 것을 의미합니다.
결과적으로 세 샘플은 숯의 회분 함량을 나타내는 잔류 질량에서도 차이가 났습니다. 놀랍게도 브랜드 숯은 10% 이상의 회분을 산출한 반면, 다른 두 숯은 3%에서 5% 사이의 값을 보였습니다. 회분 함량은 품질의 기준으로도 볼 수 있습니다. 회분 함량이 낮을수록 필러나 미네랄과 같은 비반응성 부생물의 초기 비율이 적습니다.
그림 3에 표시된 DSC 신호를 비교한 결과 너도밤나무 숯이 산화 연소 중에 가장 많은 열을 방출하는 것으로 나타났습니다. 샘플은 단열이 되지 않는 개방형 시스템에서 측정되었기 때문에 이 값을 연소 열로 간주할 수는 없습니다.
측정된 엔탈피는 뜨거운 반응 가스가 시료를 떠나면서 방출된 열을 함께 가져가기 때문에 연소 열보다 훨씬 낮습니다. 그러나 방출된 열은 세 샘플의 좋은 상대 비교 자료로 사용할 수 있습니다.
너도밤나무 시료에 대한 추가 측정이 수행되었습니다(그림 4 참조). 예상대로 물의 양과 유기물 함량이 훨씬 더 높았습니다. 물을 의미하는 첫 번째 질량 손실 단계에서는 5.13%의 결과가 나왔습니다. 온도가 상승하면서 총 68.35%에 달하는 유기물 함량이 2단계로 분해되었습니다. 너도밤나무 숯과 비교한 결과, 나무를 열분해하는 숯 생산 공정이 거의 완료된 것으로 나타났습니다. 유기물 함량은 약 78%에서 3% 미만으로 감소했습니다. 목재의 낮은 탄소 함량은 산화 연소 중에 감지된 발열 엔탈피에도 반영되어 있습니다.
요약
수분, 회분 함량, 방출 열량과 같은 숯의 품질 특성은 동시 열 분석기인 STA( NETZSCH 분석 및 테스트)를 통해 확인할 수 있습니다. 이러한 특성과 관련하여 너도밤나무 숯의 높은 품질을 입증할 수 있었지만, 이 특정 사례에서 브랜드 숯은 할인점 숯 샘플보다 유의하게 더 나은 값을 보여주지 못했습니다. 또한 TGA-DSC 방법은 유기 물질의 열분해와 관련된 숯 생산 공정의 완성도를 제어하는 데 적합합니다.
바비큐를 즐기세요!