تحلیل فرایند اکسایش گرمایی ایروژل‌های کربنی به روش سینتیکی غیرپارامتری

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

تهران، دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده مهندسی شیمی، گروه مهندسی پلیمر، صندوق پستی114-14115

چکیده

در سال­‌های اخیر، ایروژل­‌های کربنی توجه ویژه­‌ای را به خود اختصاص داده‌­اند. این دسته مواد برپایه کربن در دمای نسبتاً کم (حدود 400 درجه سلسیوس) در معرض اکسیژن اکسید می­‌شوند. توسعه‌­های انجام شده در زمینه فناوری ذخیره انرژی، لزوم بررسی رفتار ایروژل­‌های کربنی در دماهای زیاد را به‌عنوان انتخابی برای این سامانه­‌ها آشکار می­‌کند. هدف این مقاله، تحلیل سینتیکی اکسایش ایروژل کربنی با روش سینتیکی غیرپارامتری (non-paramertic kinetic,NPK) است. بدین منظور، از داده­‌های به‌دست آمده از آزمون­‌های گرما­وزن­‌سنجی در سه سرعت گرمادهی مختلف برای سه نمونه ایروژل با نانوساختار متفاوت استفاده شد. روش تحلیل سینتیکی NPK از این لحاظ که امکان تعیین و جداسازی تابعیت سرعت واکنش به دما و درجه تبدیل را با استفاده مستقیم از داده­‌های تجربی فراهم می‌کند، بر سایر روش‌­های سینتیکی مانند روش­‌های هم‌درجه (isoconversional) ارجح است. در این روش تابعیت سرعت واکنش اکسایش به درجه تبدیل به بهترین شکل توسط مدل Nomen-Semppere بیان می­‌شود. همچنین، تابعیت دمایی ثابت سرعت از معاله آرنیوس، همان‌‌طور در روش­‌های هم‌درجه مفروض است، پیروی نکرده و مدل Vogel-Fulcher بیشترین تطبیق را با داده­‌های تجربی نشان می­‌دهد. دمای مرجع به­‌دست آمده از تطبیق داده‌­ها با این مدل برابر با دمای شروع فرایند اکسایش ایروژل کربنی است. مشاهده شد، فرض تابعیت آرنیوسی ثابت سرعت از دما در روش­‌های هم‌درجه به برآورد انرژی فعال­‌سازی در مقادیری بیشتر (حداکثر 160kJ/mol) و بسیار متفاوت از مقدار پیش‌­بینی شده آن با معادله Vogel-Fulcher (حداکثر 3.5kJ/mol) منجر می­‌شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Non-Parametric Kinetic (NPK) Analysis of Thermal Oxidation of Carbon Aerogels

نویسندگان [English]

  • Azadeh Seifi
  • Ahmad Reza Bahramian
  • Alireza Sharif
Polymer Engineering Department, Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, P.O. Box: 14115-114, Tehran, Iran
چکیده [English]

In recent years, much attention has been paid to aerogel materials (especially carbon aerogels) due to their potential uses in energy-related applications, such as thermal energy storage and thermal protection systems. These open cell carbon-based porous materials (carbon aerogels) can strongly react with oxygen at relatively low temperatures (~ 400°C). Therefore, it is necessary to evaluate the thermal performance of carbon aerogels in view of their energy-related applications at high temperatures and under thermal oxidation conditions. The objective of this paper is to study theoretically and experimentally the oxidation reaction kinetics of carbon aerogel using the non-parametric kinetic (NPK) as a powerful method. For this purpose, a non-isothermal thermogravimetric analysis, at three different heating rates, was performed on three samples each with its specific pore structure, density and specific surface area. The most significant feature of this method, in comparison with the model-free isoconversional methods, is its ability to separate the functionality of the reaction rate with the degree of conversion and temperature by the direct use of thermogravimetric data. Using this method, it was observed that the Nomen-Sempere model could provide the best fit to the data, while the temperature dependence of the rate constant was best explained by a Vogel-Fulcher relationship, where the reference temperature was the onset temperature of oxidation. Moreover, it was found from the results of this work that the assumption of the Arrhenius relation for the temperature dependence of the rate constant led to over-estimation of the apparent activation energy (up to 160 kJ/mol) that was considerably different from the values (up to 3.5 kJ/mol) predicted by the Vogel-Fulcher relationship in isoconversional methods

کلیدواژه‌ها [English]

  • thermal oxidation
  • carbon aerogel
  • non-parametric kinetic model
  • nanostructure
  • oxidation kinetics
  1. Wiener M., Reichenauer G., Braxmeier S., Hemberger F., and Ebert H.P., Carbon Aerogel-Based High-Temperature Thermal Insulation, Int. J. Thermophys., 30, 1372-1385, 2009.
  2. Probstle H., Wiener M., and Fricke J., Carbon Aerogels for Electrochemical Double Layer Capacitors, J. Porous Mater., 10, 213-222, 2003.
  3. Biener J., Stadermann M., Suss M., Worsley M.A., Biener M.M., Rose K.A., and Baumann T.F., Advanced Carbon Aerogels for Energy Applications, Energ. Env. Sci..4, 656-667, 2011.
  4. GavhaneK.A., Chemical Reaction Engineering II, Nirali Prakashan, Chapt. 1, 2009.
  5. Szekely J., Gas-Solid Reactions, Academic, Chapt. 4, 1976.
  6. Burnham A.K., Computational Aspects of Kinetic Analysis.: Part D: The ICTAC KineticsProject-Multi-Thermal-History Model-Fitting Methods and Their Relation to Isoconversional Methods, Thermochimica Acta, 355, 165-170, 2000.
  7. Ozawa T., A New Method of Analyzing Thermogravimetric Data, Bull. Chem. Soc. Japan., 38, 1881-1886,1965.
  8. Flynn J.H. and Wall L.A., A Quick, Direct Method for the Determination of Activation Energy from Thermogravimetric Data, J. Polym. Sci. Part B: Polym. Lett., 4, 323-328, 1966.
  9. Vyazovkin S., Advanced Isoconversional Method, J. Therm. Anal., 49, 1493-1499, 1997.
  10. Fulcher G.S., Analysis of Recent Measurements of the Viscosity of Glasses, J. Am. Ceram. Soc., 8, 339-355, 1925.
  11. Vogel H., The Law of the Relation Between The Viscosity of Liquids and the Temperature, Physikalische Zeitschrift, 22, 645-646, 1921.
  12. Serra R., Nomen R., and Sempere J., The Non-Parametric Kinetics a New Method for the Kinetic Study of Thermoanalytical Data, J. Therm. Anal. Calorim., 52, 933-943, 1998.
  13. Serra R., Sempere J., and Nomen R., A New Method for the Kinetic Study of Thermoanalytical Data: The Non-Parametric Kinetics Method, Thermochimica Acta, 316, 37-45, 1998.
  14. Sempere J., Nomen R., Serra R., and Soravilla J., The NPK Method: An Innovative Approach for Kinetic Analysis of Data from Thermal Analysis and Calorimetry, Thermochimica Acta, 388, 407-414, 2002.
  15. Sempere J., Nomen R., and Serra R., Progress in Non-Parametric Kinetics, J. Thermal. Analy. Calorim., 56, 843-848, 1999.
  16. Vlase T., Vlase G., Birta N., and Doca N., Comparative Results of Kinetic Data Obtained with Different Methods for Complex Decomposition Steps, J. Thermal. Anal. Calorim., 88, 631-635, 2007.
  17. Vlase T., Vlase G., Doca N., and Bolcu C., Processing of Non-Isothermal TG Data, J. Thermal. Anal. Calorim., 80, 59-64, 2005.
  18. Sewry J.D. and Brown M.E., Model-free Kinetic Analysis, Thermochimica Acta, 390, 217-225, 2002.
  19. Naseri I., Kazemi A., Bahramian A.R., and Kashani M.R., Polymerization of Phenol Formaldehyde in Solvent-Saturated Vapor and Study on the Microstructure and Mechanical Properties of Novolac Aerogel Product, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 26, 427-435, 2014.
  20. Naseri I., Kazemi A., Bahramian A.R., and Razzaghi Kashani M., Preparation of Organic and Carbon Xerogels Using High-Temperature-Pressure Sol-Gel Polymerization, Mater. Design, 61, 35-40, 2014.
  21. Meyer K. and Klobes P., Comparison Between Different Presentations of Pore Size Distribution in Porous Materials, Fresen. J. Anal. Chem.,363, 174-178, 1999.
  22. Seifi A., Bahramian A.R., and Sharif A., Correlation Between Structure and Oxidation Behavior of Carbon Aerogels, J. Energ. Storage, 7, 195-203, 2016.
  23. Khawam A. and Flanagan D.R., Solid-state Kinetic Models: Basics and Mathematical Fundamentals, J. Phys. Chem. B.,110, 17315-17328, 2006.
  24. Šesták J. and Berggren G., Study of the Kinetics of the Mechanism of Solid-State Reactions at Increasing Temperatures, Thermochimica Acta, 3, 1-12, 1971.