07.05.2025 by Dr. Chiara Baldini, Aileen Sammler
Karakterisering van NaNO₃-KNO₃ zoutmengsels met behulp van NETZSCH thermische analyse-instrumenten en röntgendiffractie
Zouten en zoutsystemen dienen een breed spectrum van toepassingen in tal van industrieën en in het dagelijks leven - van conservering en smaakstoffen tot farmaceutica, medicijnen, landbouw en waterbehandeling. Daarnaast is een grote verscheidenheid aan zouten essentieel in industriële sectoren zoals chemische productie, metallurgie en energieproductie, waaronder nucleaire en zonne-energietechnologieën.
Nieuwe inzichten in NaNO₃-KNO₃ fasestabiliteit voor thermische energieopslag
Onze nieuwste studie richt zich op het NaNO₃-KNO₃ systeem, een veelgebruikte warmteoverdrachtvloeistof en thermisch energieopslagmateriaal in geconcentreerde zonne-energiecentrales (CSP). Ondanks de uitgebreide toepassing blijven er discrepanties bestaan in de evenwichtsfasediagrammen als gevolg van metastabiele fasevorming onder invloed van experimentele omstandigheden.
Door differential scanning calorimetrie (DSC), thermomechanische analyse (TMA), laser flash analysis (LFA) en hoge temperatuur röntgendiffractie (HTXRD) te integreren, hebben we meer inzicht gekregen in de thermische en structurele eigenschappen van het systeem. Met name HTXRD bevestigde de vorming van metastabiele vaste oplossingsfasen, wat de noodzaak van een gecombineerde thermische en structurele aanpak om het gedrag van het materiaal volledig te begrijpen, versterkt.
Het recente wetenschappelijke artikel"Comprehensive analysis of metastable phase formation in the NaNO₃-KNO₃ system by thermal analysis and high-temperature X-ray diffraction", gepubliceerd in het Journal of Materials Research and Technology, gaat direct in op deze discrepanties.
In dit onderzoek werd een multitechnische benadering gebruikt, waaronder differentiële scanning calorimetrie (NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix® ), thermomechanische analyse (NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion® ), laser-flitsanalyse (NETZSCH LFA 467 HyperFlash®) en röntgendiffractie bij hoge temperatuur (HTXRD - Empyrean Series 3).
De resultaten tonen significante verschillen in overgangstemperaturen en volumeveranderingen tussen de eerste en de tweede verhittingscyclus. Bovendien bevestigden XRD-studies bij hoge temperatuur de vorming en persistentie van metastabiele fasen, waarmee eerder onopgeloste inconsistenties in de gerapporteerde gegevens werden opgelost.
De integratie van geavanceerde experimentele technieken in thermische analyse verbetert de betrouwbaarheid van thermofysische eigenschappen aanzienlijk, wat cruciaal is voor de ontwikkeling van betrouwbare thermodynamische databases. Deze integratie ondersteunt de ontwikkeling van innovatieve materialen die geoptimaliseerd zijn voor verschillende temperatuurbereiken, waardoor de efficiëntie en duurzaamheid van industriële processen en oplossingen voor energieopslag worden verbeterd.
Voor een meer gedetailleerd overzicht van de methoden en resultaten is het volledige onderzoekspaper online beschikbaar:
Erkenningen
Dit onderzoek werd uitgevoerd dankzij de samenwerking tussen onderzoekers van NETZSCH-Gerätebau GmbH (Selb, Duitsland), Malvern Panalytical B.V. (Almelo, 7602 EA, Nederland) en Forschungszentrum Jülich GmbH, IMD-1 (Jülich, Duitsland). We zijn dankbaar voor de waardevolle bijdragen van de auteurs en de steun van hun respectieve instellingen.
Bekijk ook onze webinar: Zoutsystemen verkennen experimentele grenzen
Zoutsystemen vormen een aparte groep materialen naast oxiden en metalen. Hun uitgebreide gebruik als media voor warmteoverdracht of chemische reactanten in belangrijke industrieën zoals metallurgie, kernenergie en zonne-energie is te danken aan hun unieke thermofysische eigenschappen en hun relatief lage kosten en beschikbaarheid. De combinatie van zouten met verschillende kationen en anionen vergroot de verscheidenheid aan toepassingen enorm. De nauwkeurige bepaling van thermofysische eigenschappen zoals DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid, warmtecapaciteit en Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie is sterk afhankelijk van de monstervoorbereiding en de keuze van de kroesmaterialen. Informatie over de Thermische stabiliteitEen materiaal is thermisch stabiel als het niet ontleedt onder invloed van temperatuur. Een manier om de thermische stabiliteit van een stof te bepalen is door een TGA (thermogravimetrische analyser) te gebruiken. thermische stabiliteit en het verdampings-/ontledingsgedrag van zouten is ook belangrijk voor de interpretatie van experimentele resultaten. Sommige zoutmengsels kunnen metastabiele fasen vormen, die afhankelijk kunnen zijn van het temperatuurprogramma of andere parameters van de experimentele apparatuur.
Al deze problemen en mogelijke oplossingen voor het onderzoeken van zoutsystemen met TG/DTA/DSC/TMA/LFA-instrumenten worden besproken in ons webinar.
