石油焦、木炭中水分含量、固定炭含量、灰烬含量及燃烧热检测方案(同步热分析仪)

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NETZSCH 石油焦与木炭的 STA 燃烧测试--对实验条件的探讨 文件编号：cAN-011 1. 实验条件 样品名称：：石油焦 OM01、木炭 CH01 ● 样品描述：块状固体或粉末 ● 测试内容：水分含量、固定炭含量、灰烬含量及燃烧热 样品称重：10-15mg，或更少 ● 温度范围：RT-1000℃ 升温速率：10K/min 样品埚：本实验中选用导热性能优异的Pt坩埚，分别在埚加盖和不加盖情况下测试，并进行对比 测量气氛：预抽真空，N2—700℃切换成 Air 2. 结果与讨论 1、石油焦 OM01 图1石油焦(埚加盖) 图1中，样品在切换成空气气氛前的失重应该主要由高沸点物质的挥发或某些组分的分解引起，占样品质量的5.64%，在这个过程中 DSC 曲线无明显变化；切换成空气气氛后样品中的炭开始燃烧，样品失重，根据 DTG 曲线， TG 曲线失重步骤分为两步，失重量分别占9.10%和71.08%(有可能该反应为两步反应)， DSC 曲线上出现明显的放热峰，燃烧总热焓值为26653J/g；至950℃后，样品反应完全，不再失重，残余质量为14.18%。 图2石油焦(甘埚敞口) 图2为样品在埚敞口情况下的测试结果，反应步骤与加盖基本一致，但切换成空气气氛后的失重大于加盖，残余质量为0.65%，燃烧的热焓值为15324J/g。 2、木炭 CH01 图3木炭(甘埚加盖) 图3中，木炭样品在切换成空气气氛前的失重分为3步，对应的质量分别为 0.91%、13.80%和25.37%，190℃以前的失重应该主要由水分的挥发引起， DSC 曲线在300-500℃范围有个放热峰(请见放大图)，说明样品在此温度范围内发生了放热反应并失重；切换成空气后，样品开始失重，根据DTG 曲线， TG曲线失重步骤分为两步，失重量分别占25.15%和26.56%(该反应可能为两步反应)，DSC 曲线在690-820℃范围内出现明显的放热峰，燃烧总热焓值为16607J/g； 至820℃后，样品反应 完全，残余质量为8.21%。 图4木炭(甘埚敞口) 图4为木炭样品在埚敞口的情况下的测试结果，反应步骤与加盖基本一致，但切换成空气气氛后的失重大于加盖，残余质量为5.62%，燃烧的热焓值为 9908J/g。 对比埚加盖和敞口测试的 TG 结果可以看出，同一个样品在埚敞口测试时的失重量大于埚加盖(尤其是切换成空气后)。甘埚敞口时样品与反应气氛充分接触，样品燃烧充分，因此残余质量较小；而埚加盖在一定程度上妨碍了样品与反应气氛的充分接触，，导致氧化性气氛相对不足，此时样品跟氧气的反应机理不同于敞口(不充分燃烧)，反应产物也有所不同，比如说，C跟02的反应，在02充足的情况下，产物为 CO2， 02不充足的情况下，产物为 CO 和 CO2的混合物(比例不同)。因此，即使埚加盖和敞口时样品虽然都完全参与反应(TG线走平)，但由于反应产物不同，残余质量也会有差异。 再看埚加盖和敞口测试的 DSC 结果，剐埚敞口测试的反应热焓值远远低于加盖。加盖利于样品体系的温度均匀性，而且埚盖能有有屏蔽热辐射和热散失(阻止样品燃烧释放的能量以光和热的形式散失)，显著提高反应热焓的测量精度。另一方面，埚加盖可能改变样品与氧气反应的反应机理，反应产生的热焓也可能会不一样。 综合起来，加盖测试利于反应热的测量，但测得的热失重量偏小，而敞口测试利于样品的充分燃烧，但热量会有散失，皆是顾此失彼，能否有两全其美的方案?考虑到坩埚加盖时是由于氧化性气氛不足导致不充分燃烧，是否可以减少样品量，，以增大样品与反应气氛的接触面积，在加盖的情况下保证样品充分燃烧?因此，图5中采用了小样品量，在在埚加盖的情况下进行了测试。 图5石油焦(埚加盖) 将图5与图1、2的结果对比，小样品量时，残余质量与埚敞口时基本一致，但反应热焓要大于大样品量加盖测试，说明小样品量时样品能够充分燃烧，燃烧释放的热量也要大于不充分燃烧的热量。实验证明，小样品量加盖即可以保证样品充分燃烧，又能准确测得反应热(坩埚盖有效阻止了热损耗)。但是本实验中样品失重量和反应热焓都比较大，因此减小样品量对测试结果影响不大，对于热失重或反应热不明显的样品，减小样品量可能对测试结果影响较大，样品量不宜过小(10mg或更多)。 综上，如果需要样品与反应气氛充分接触，而对热焓测量精度要求不高，建议使用敞口埚测试；如果需要精确测定反应的吸放热值，建议埚加盖，虽然这样可能影响样品与反应气氛的接触(不同样品影响程度不一)。因此，即使是同一样品，在不同实验条件下测得的热失重和热焓值也没有对比意义，而不同样品在同一条件下测得的值，可做定性比较。对于本实验所测的两个样品，减少样品量并加盖不失为一个两全其美的方法，即保证样品充分分烧，又能准确测得燃烧热。 耐驰科学仪器商贸(上海)有限公司 应用实验室 王荣 2012.4.