ĐẶC TÍNH NHIỆT hóa và đặc TÍNH của vỏ hạt cọ THÔNG QUA kỹ THUẬT TGA DTG

Văn Thanh Khuê ĐẶC TÍNH NHIỆT HÓA VÀ ĐẶC TÍNH CỦA VỎ HẠT CỌ THÔNG QUA KỸ THUẬT TGA / DTG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỆT HVTH: Lê Đức Hòa... Phân tích nhiệt là phương pháp phân tích mà tron

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

- -GVHD: TS Văn Thanh Khuê

ĐẶC TÍNH NHIỆT HÓA VÀ ĐẶC TÍNH CỦA VỎ HẠT

CỌ THÔNG QUA KỸ THUẬT TGA / DTG

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỆT

HVTH: Lê Đức Hòa

Đặc tính nhiệt hóa thông qua TGA/DTG Tiến hành thực nghiệm

Kết quả Kết luận

Phân tích nhiệt là phương pháp phân tích mà trong đó các tích chất vật lý cũng như hóa học của mẫu được đo một cách liên tục như những hàm của nhiệt độ

Trên cơ sở lý thuyết về nhiệt động học, từ sự thay đổi các tính chất đó

ta có thể xác định được các thông

số yêu cầu của việc phân tích

Các thông tin cơ bản mà

phương pháp này mang lại cho

chúng ta là rất quan trọng đối

với việc nghiên cứu và phát

triển một loại sản phẩm

Các tính chất được xác định bao

gồm: Nhiệt độ chuyển pha, khối

lượng mất đi, năng lượng chuyển

pha, biến đổi về kích thước, tính

chất nhờn, đàn hồi

1 Tổng quan về phương pháp phân tích nhiệt

Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)

Bốn phương pháp phân tích nhiệt

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỆT

Có rất nhiều phương pháp phân tích nhiệt khác nhau, nhưng trong khuôn khổ phần này ta chỉ tìm hiểu bốn phương pháp chính sau:

1 Tổng quan về phương pháp phân tích nhiệt

Phân tích nhiệt vi sai (DTA)

Phương pháp phân tích nhiệt quét vi sai (DSC)Đạo hàm phân tích nhiệt trọng lượng (DTG)

1 Tổng quan về phương pháp phân tích nhiệt

Vì thế cũng có hai phương pháp phân tích quang phổ khác nhau ra đời

Loại bản chất sóng (OES)

Loại có bản chất khối

2008 2007

2006

2005 2004

2003

2002 2001

2000

TGA là phương pháp phân tích trong đó sự thay đổi khối lượng của mẫu dưới sự thay đổi của nhiệt độ theo một chương trình được ghi lại như là một hàm số của nhiệt độ hoặc thời gian

Ứng dụng khi phân tích định lượng các thay đổi vật lý hoặc hoặc hóa học với sự thay đổi về khối lượng Ví dụ các biến đổi về hóa học do sự mất nước, phân hủy, oxy hóa, và sự khử, thăng hoa,…

TGA

Kỹ thuật phân tích nhiệt trọng dựa trên cơ sở ghi lại liên tục sự thay đổi khối lượng của mẫu trong quá trình gia nhiệt hoặc làm lạnh

1.1 Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng

Lấy đạo hàm của đường cong TG thí nghiệm ban đầu để đưa ra dm/dt, hoặc tốc độ mất khối lượng theo thời gian và để vẽ theo nhiệt độ hoặc thời gian

3 Diện tích dưới đỉnh DTG tỷ lệ thuận với tổn thất khối lượng, do đó tổn thất khối lượng tương đối có

thể được so sánh

1.2 Phân tích nhiệt quét vi sai (DSC)

 Phân tích nhiệt quét vi sai (Differential scanning calorimetry, DSC) là một kỹ thuật phân tích nhiệt được dùng phổ biến trong nghiên cứu vật lý chất rắn, khoa học vật liệu, hóa học, cho phép xác định các tính chất chuyển pha nhiệt của mẫu

 Thông qua việc đo dòng nhiệt tỏa ra (hoặc thu vào) từ một mẫu được đốt nóng trong dòng nhiệt với nhiệt độ quét trong các tốc

độ khác nhau

 Thuật ngữ "vi sai" chỉ việc xác định sự sai khác giữa nhiệt

độ (hay dòng nhiệt) của mẫu đối với một mẫu chuẩn được đặt trong cùng điều kiện

DSC

IC P IC P

IC P

IC P

DSC làm việc dựa trên nguyên lý do

sự thay đổi nhiệt độ và nhiệt lượng tỏa ra từ mẫu khi bị đốt nóng

và so sánh với thông tin từ mẫu chuẩn

Bên cạnh việc đo dòng nhiệt,

thiết bị DSC có thể đo được sự

thay đổi khối lượng có thể thực

hiện tính năng tương tự như TGA

Buồng mẫu gồm hai đĩa cân, một đĩa cân chuẩn không chứa mẫu và làm bằng vật liệu được chuẩn hóa thông tin nhiệt Đĩa cân còn lại chứa mẫu cần phân tích

Đĩa được đặt trên hệ thống vi cân

cho phép cân chính xác khối

lượng mẫu, cùng với hệ thống cảm

biên nhiệt độ đặt bên dưới đĩa cân

cho phép xác định nhiệt độ của mẫu

1.2 Phân tích nhiệt quét vi sai (DSC)

Nguyên lý

1.3 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA)

 DTA (differential thermal analysis): Là phương pháp phân tích nhiệt dựa trên việc thay đổi nhiệt độ của mẫu đo và mẫu chuẩn

 Những tính chất của mẫu chuẩn là hoàn toàn xác định, một yêu cầu

về mẫu chuẩn là nó phải trơ về nhiệt độ

 Đối với mẫu đo thì luôn xảy ra một trong hai quá trình giải phóng

và hấp thụ nhiệt khi ta tăng nhiệt độ của hệ, ứng với mỗi quá trình này sẽ có một trạng thái chuyển pha tương ứng

 Dấu của năng lượng chuyển pha sẽ đặc trưng cho quá trình hấp thụ hay giải phóng nhiệt Đồng thời ta cũng xác định được nhiệt độ chuyển pha đó

DTA

2008 2007

2006

2005 2004

2003

2002 2001

2000

Nghiên cứu này nghiên cứu đặc tính và phân hủy nhiệt của vỏ hạt

cọ (PKS) PKS được làm nóng từ 25°C đến 1000°C bằng phân tích

TG / DTG

Sử dụng khí nito với tốc độ dòng chảy 100 ml/min ở bốn tốc

độ gia nhiệt khác nhau 10,20,30,40°C/min

Các đặc tính hóa lý như phân tích gần, phân tích cuối cùng, giá trị gia nhiệt, huỳnh quang tia X (XRF), Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) và Bruneller-Emmett-Teller (BET) đã được xác định

Tổng

quan

2 Đặc tính nhiệt hóa và đặc tính của vỏ hạt cọ thông qua kỹ

thuật TGA / DTG

 Hàm lượng carbon và hydro dẫn đến giá trị gia nhiệt cao hơn

của vỏ hạt cọ (PKS) Giá trị gia nhiệt cao hơn được xác định

bằng phương pháp đo nhiệt lượng bom(bomb calorimetric

method) là 17 MJ / kg trên cơ sở không có tro khô

 Phân tích FESEM cho thấy PKS có cấu trúc xốp Điều này tạo

thuận lợi cho việc giải phóng chất dễ bay hơi cần thiết cho sản

xuất năng lượng sinh học

 Có thể kết luận từ nghiên cứu này, vỏ hạt cọ có tiềm năng tốt

để chuyển đổi thành nhiên liệu sinh học hoặc được sử dụng

làm nhiên liệu cho năng lượng

PKS/ FESEM

2 Đặc tính nhiệt hóa và đặc tính của vỏ

hạt cọ thông qua kỹ thuật TGA / DTG

Một trong những sản phẩm thừa của sản xuất dầu cọ là vỏ hạt cọ (PKS đang được sử dụng để sản xuất năng lượng, quy trình sản xuất nhiên liệu sinh học)

Malaysia là nhà sản xuất cọ dầu lớn nhất có nguồn sinh khối cọ dầu dồi dào, có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng tái tạo chính

Sự cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch cùng với các vấn đề khí hậu và môi trường đã làm thay đổi xu hướng sử dụng năng lượng tái tạo

2.2 GIỚI THIỆU

2 Đặc tính nhiệt hóa và đặc tính của vỏ hạt cọ thông qua

kỹ thuật TGA / DTG

Một kỹ thuật nhiệt hóa được gọi là khí hóa được sử dụng

để chuyển PKS thành khí tổng hợp

Một bước phụ của quá trình khí hóa là nhiệt phân

Sinh khối có thể được

được xem xét ở tốc độ gia

nhiệt cao hơn

2 Đặc tính nhiệt hóa và đặc tính của vỏ hạt cọ thông qua kỹ

thuật TGA / DTG

2 Đặc tính nhiệt hóa và đặc tính của vỏ hạt cọ thông

qua kỹ thuật TGA / DTG

Giới thiệu

1

2 Phân tích nhiệt kết hợp với quang phổ hồng ngoại biến

đổi Fourier FIIR, quang phổ khối MS

3 Việc sử dụng MS và FTIR cho hiểu biết chi tiết về

động học và cơ chế phản ứng

Một số nhà nghiên cứu đã điều tra đặc tính nhiệt sinh khối và động học bằng cách sử dụng phân tích nhiệt lượng (TGA) và đo nhiệt độ phái sinh(DTG)

2 Đặc tính nhiệt hóa và đặc tính của vỏ

hạt cọ thông qua kỹ thuật TGA / DTG

 Đo nhiệt lượng quét vi sai (DSC) là một kỹ thuật được sử dụng để nghiên cứu yêu cầu nhiệt lượng của quá trình nhiệt phân sinh khối

 Đường cong DSC cung cấp các đặc tính nhiệt lượng trong các điều kiện khác nhau

 Do đó, các yêu cầu nhiệt lượng và mối quan hệ của nó với nhiệt độ có thể được phân tích Nó cũng là một kỹ thuật hữu ích cho các giá trị nhiệt thích hợp của phản ứng

của thiết bị TGA

Gia nhiệt từ môi trường đến 1000 ° C bằng máy phân tích nhiệt (TG / DTG)

Khí nitơ với tốc độ

100 ml/phút đã được

sử dụng làm mẫu và khí cân bằng

3.1 Phân tích nhiệt trọng lượng

Phân tích nhiệt lượng được thực hiện trong điều kiện không đẳng nhiệt

3 Quy trình thực nghiệm

3.2 Ultimate Analysis

Nhiệt độ lò của máy phân tích

nguyên tố được duy trì ở 800oC

Ultimate Analysis của vỏ hạt cọ được thực hiện bằng máy phân tích nguyên tố LECO CHNS 932

Thành phần nguyên tố như carbon, hydro, nitơ Lưu huỳnh

và hàm lượng oxy đã được xác định

Khoảng 1-2mg mẫu PKS được

đặt vào viên nang bạc và được

phân tích trong máy phân tích

nguyên tố

 Giá trị nhiệt lượng hay còn gọi là nhiệt trị cao (HHV) của PKS được xác định bằng cách

sử dụng nhiệt lượng kế IKA C5000 Các phép đo HHV được thực hiện bằng cách sử dụng tiêu chuẩn ASTM D5865-03

 Đầu tiên, khoảng 3-5mg mẫu PKS được cân và đặt trong chén nung Mẫu được đánh lửa bằng một sợi bông được gắn vào dây đánh lửa bên trong buồng phân hủy nơi xảy ra quá trình đốt cháy Phân tích được lặp lại ba lần để thu được kết quả chính xác

3 Quy trình thực nghiệm

3.3 Giá trị nhiệt lượng

3 Quy trình thực nghiệm

Phân tích huỳnh quang tia X (XRF)

 Thành phần hóa học của PKS được đo bằng phân tích XRF Trong phân tích này, khoảng 5-10g PKS đã được sử dụng trong Bruker AXS XRF S4 Bảng 2 cho thấy kết quả phân tích huỳnh quang X-Ray (XRF) của PKS

Phân tích kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM)

 Mẫu được sấy khô và tròn thành dạng bột Sau đó, mẫu được đặt vào các cọng nhôm bằng cách sử dụng băng dính carbon và tiếp theo là lớp phủ bạch kim để tăng độ dẫn điện Sau đó được đặt vào buồng chân không của thiết bị và phân tích hình thái bề mặt

ở độ phóng đại từ độ phóng đại 1000 x 5000 lần

4 KẾT QUẢ

4.1 Ultimate and Proximate Analysis

 Hàm lượng lưu huỳnh và nitơ thấp thể hiện lượng thành phần NOx và SOx thấp trong sản phẩm hỗ trợ PKS là nguyên liệu tiềm năng cho hydro và sản xuất điện thông qua quá trình khí hóa

 Chất dễ bay hơi và hàm lượng tro thấp hỗ trợ quá trình khí hóa được vận hành ở dải nhiệt

độ thấp hơn

 Hàm lượng tro thấp cũng là một đặc tính thiết yếu đối với nguyên liệu khí hóa vì nó hỗ trợ

để tránh sự kết tụ, sự cố trượt gây ra tắc nghẽn các đường ống Ngoài ra, không cần cài đặt

hệ thống loại bỏ tro cho hệ thống khí hóa và tiết kiệm chi phí vốn

4 KẾT QUẢ

4.1 Ultimate and Proximate Analysis

4 KẾT QUẢ

4.2 Phân tích huỳnh quang tia X (XRF)

4 KẾT QUẢ

4.3 Phân tích kính hiển vi điện tử quét hấp thụ và phát xạ trường (FESEM)

4 KẾT QUẢ

4.3 Phân tích kính hiển vi điện tử quét hấp thụ và phát xạ trường (FESEM)

4 KẾT QUẢ

4.4 Phân tích nhiệt

 Đường cong DTG cho thấy mất khối lượng tối đa giảm khi tốc độ gia nhiệt tăng Đó là do sự truyền khối xảy ra trong quá trình dẫn nhiệt từ bề mặt hạt bên ngoài sang bề mặt bên trong khi tăng tốc độ gia nhiệt Việc giảm khối lượng bằng cách phân hủy xảy

ra ở tốc độ chậm trong khoảng nhiệt độ (180-1000° C)

 Hình bên cạnh cho thấy mất độ ẩm và khử bay hơi xảy ra ở nhiệt độ khoảng <150°C sau đó giảm cân bắt đầu giảm nhanh chóng

4 KẾT QUẢ

 Giai đoạn đầu tiên là sự giảm của hemiaellulose (110-280)°C Giảm khối lượng là 27,1% do suy thoái hemiaellulose

 Giai đoạn thứ hai (280-400)°C chỉ ra sự thay đổi đỉnh chính sau đỉnh khử bay hơi trong cấu hình đường cong DTG Việc giảm cân 30,02% trọng lượng được quy cho sự phân hủy cellulose

4 KẾT QUẢ

 Giai đoạn thứ ba còn được gọi là giai đoạn suy thoái chậm (400-800)°C chiếm một phần nhỏ trong tổng trọng lượng giảm 42,9% trọng lượng PKS tiếp tục phân hủy vượt quá nhiệt độ 750° C với sự phân hủy tối đa ở 704°C

 Tonset: Nhiệt độ ngoại suy bắt đầu từ sự phân hủy hemiaellulose tính từ đỉnh một phần.

 (dm/dt)sh: Tốc độ phân hủy hemiaellulose tối đa.

 Tsh: Nhiệt độ cho thấy tốc độ phân hủy hemiaellulose tổng thể.

 (dm/dt)peak: Tốc độ phân hủy cellulose tối đa chung.

 Tpeak: Nhiệt độ mô tả tốc độ phân hủy cellulose tối đa tổng thể.

 Toffset: Nhiệt độ bù ngoại suy của các đường cong dm / dt Giá trị của nó tương ứng với điểm cuối phân hủy cellulose.

 Tb: Nhiệt độ cháy

5 KẾT LUẬN

 Đặc tính, hành vi nhiệt và đặc tính đốt thu được được sử dụng để mô hình hóa, thiết kế và phát triển mô hình hệ thống nhiệt hóa học cũng như cho nghiên cứu thí nghiệm khí hóa PKS

 PKS được đặc trưng bởi độ ẩm thấp và hàm lượng chất bay hơi cao, trong khi giá trị gia nhiệt của nó được báo cáo là 17 MJ/kg Nó cũng chứa các khoáng chất như SiO2, CaO,

Al2O3, Fe2O3 và MgO đã được sử dụng làm nguyên liệu để khí hóa

 PKS bao gồm hỗn hợp các hạt tròn, hình chữ nhật và không đều có diện tích bề mặt BET cao là 239 m2/g với thể tích lỗ rỗng 0,0473 cm3/g

 Nhìn chung, vỏ hạt cọ có tiềm năng chuyển đổi thành nhiên liệu sinh học hoặc được sử dụng làm nhiên liệu cho năng lượng.

5 KẾT LUẬN

[1] Thermochemical behavior and characterization of palm kernel shellvia TGA/DTG technique- Maham Hussain, Lemma Dendena Tufaa,*, Suzana Yusupa, Haslinda Zabiria

[2] P J Haines_ et al - Thermal methods of analysis _ principles, applications and problems

TÀI LIỆU THAM KHẢO

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin chân thành cám ơn trường ĐH Công Nghiê ̣p Tp,HCM, khoa Công nghê ̣ Hóa học, và đặc biệt là giáo viên hướng dẫn thầy Văn Thanh Khuê tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện để chúng em hoàn thành báo cáo của mình, Xin cám ơn trung tâm thư viê ̣n nhà trường với ngân hàng tài liê ̣u hóa học bổ ích đã cung cấp tư liê ̣u, cơ sở lí thuyết, Tuy nhiên do kinh nghiệm còn hạn hẹp và thời gian hạn chế nên chúng em không khỏi tránh nhiều điều sai sót mong Thầy bỏ qua và đóng góp ý kiến

để bài làm của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn