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.
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
ابتدای صفحه