تحليل فرايند اكسايش گرمايي ايروژل‌هاي كربني به روش سينتيكي غيرپارامتري

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

در سال­‌هاي اخير، ايروژل­‌هاي كربني توجه ويژه­‌اي را به خود اختصاص داده‌­اند. اين دسته مواد برپايه كربن در دماي نسبتاً كم (حدود 400 درجه سلسيوس) در معرض اكسيژن اكسيد مي­‌شوند. توسعه‌­هاي انجام شده در زمينه فناوري ذخيره انرژي، لزوم بررسي رفتار ايروژل­‌هاي كربني در دماهاي زياد را به‌عنوان انتخابي براي اين سامانه­‌ها آشكار مي­‌كند. هدف اين مقاله، تحليل سينتيكي اكسايش ايروژل كربني با روش سينتيكي غيرپارامتري (non-paramertic kinetic,NPK) است. بدين منظور، از داده­‌هاي به‌دست آمده از آزمون­‌هاي گرما­وزن­‌سنجي در سه سرعت گرمادهي مختلف براي سه نمونه ايروژل با نانوساختار متفاوت استفاده شد. روش تحليل سينتيكي NPK از اين لحاظ كه امكان تعيين و جداسازي تابعيت سرعت واكنش به دما و درجه تبديل را با استفاده مستقيم از داده­‌هاي تجربي فراهم مي‌كند، بر ساير روش‌­هاي سينتيكي مانند روش­‌هاي هم‌درجه (isoconversional) ارجح است. در اين روش تابعيت سرعت واكنش اكسايش به درجه تبديل به بهترين شكل توسط مدل Nomen-Semppere بيان مي­‌شود. همچنين، تابعيت دمايي ثابت سرعت از معاله آرنيوس، همان‌‌طور در روش­‌هاي هم‌درجه مفروض است، پيروي نكرده و مدل Vogel-Fulcher بيشترين تطبيق را با داده­‌هاي تجربي نشان مي­‌دهد. دماي مرجع به­‌دست آمده از تطبيق داده‌­ها با اين مدل برابر با دماي شروع فرايند اكسايش ايروژل كربني است. مشاهده شد، فرض تابعيت آرنيوسي ثابت سرعت از دما در روش­‌هاي هم‌درجه به برآورد انرژي فعال­‌سازي در مقاديري بيشتر (حداكثر 160kJ/mol) و بسيار متفاوت از مقدار پيش‌­بيني شده آن با معادله Vogel-Fulcher (حداكثر 3.5kJ/mol) منجر مي­‌شود.

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