ФОРМАЛЬНО-КИНЕТИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ОПИСАНИЮ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ – ПРОБЛЕМЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ: КРАТКИЙ ОБЗОР
Аннотация
В работе выполнен обзор принципиальных подходов к формально-кинетическому описанию процесса термохимической конверсии материалов. Рассмотрены варианты классификации используемых методов обработки кинетических кривых, а также анализ вариантов включения в расчет аппроксимации температурного интеграла Аррениуса. Выполнена идентификация кинетических параметров на основе анализа результатов термического разложения модельного материала в неизотермических условиях несколькими известными методами, не предполагающими вычисление температурного интеграла. Показано, что проведение обратного расчета в рамках любого из используемых методов с целью прогнозирования величины степени разложения дает адекватные результаты. Задача сравнения методов между собой не ставилась, так как расчеты выполнены для модельного материала при очень малом наборе экспериментальных данных. Результаты расчетов используются в качестве иллюстративного материала, подтверждающего возможности идентификации параметров А и Е уравнения Аррениуса указанными методами. В рамках настоящего исследования было также найдено решение двумерной оптимизационной задачи нахождения минимального значения среднеквадратического отклонения расчетных данных от экспериментальных. Указанная задача была решена методом перебора параметров для определения локального оптимума комбинации A и E при численном нахождении температурного интеграла. Показано что, несмотря на большой объем вычислительных операций, при таком подходе может быть получено сочетание А и Е, обеспечивающих минимальное при заданной точности вычислений расхождение между экспериментальными и прогнозируемыми значениями.
Для цитирования:
Митрофанов А.В., Мизонов В.Е., Малько М.В., Василевич С.В., Зарубин З.В. Формально-кинетические подходы к описаниютермического разложения материалов – проблемы идентификациипараметров и интерпретации результатов: краткий обзор. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2022. Т. 65. Вып. 7. С. 6-16. DOI: 10.6060/ivkkt.20226507.6579.
Литература
Fortov V.E., Popel’ O.S. The current status of the develop-ment of renewable energy sources worldwide and in Russia. Therm. Eng. 2014. V. 61. P. 389–398. DOI: 10.1134/S0040601514060020.
Prakash N., Karunanithi T. Kinetic Modeling in Biomass Pyrolysis-A Review. J. Appl. Sci. Res. 2008. V. 4. N 12. P. 1627–1636.
Paloposki T., Saastamoinen J., Klobut K., Tuomaala P. Analysis of wood firing in stoves by the oxygen consumption method and the carbon dioxide generation method. Bio-mass Bioenergy. 2014. V. 61. P. 1-24. DOI: 10.1016/j.biombioe.2011.12.041.
Açıkalın K. Determination of kinetic triplet, thermal degradation behaviour and thermodynamic properties for pyrolysis of a lignocellulosic biomass. Biores. Technol. 2021. V. 337. Art. 125438. DOI: 10.1016/j.biortech.2021.125438.
Lázaro D., Alonso A., Lázaro M.; Alvear D. A Simple Direct Method to Obtain Kinetic Parameters for Polymer Thermal Decomposition. Appl. Sci. 2021. V. 11. Art. 11300. DOI: 10.3390/app112311300.
Kozlov A.N., Svischev D.A., Khudyakova G.I., Ryzhkov A.F. Kinetic analysis of thermo-chemical conversion of solid fuels. Khim. Tverd. Topliva. 2017. N 4. P. 12-21 (in Rus-sian). DOI: 10.3103/S0361521917040061.
Vyazovkin S., Wight C.A. Model-free and model-fitting approaches to kinetic analysis of isothermal and nonisothermal data. Thermochim. Acta. 1999. V. 340-341. P. 53-68. DOI: 10.1016/S0040-6031(99)00253-1.
Di Blasi C. Modeling chemical and physical processes of wood and biomass pyrolysis. Progr. Energy Combust. Sci. 2008. V. 34. P. 47-90. DOI: 10.1016/j.pecs.2006.12.001.
El-Sayed S. Review of thermal decomposition, kinetics parameters and evolved gases during pyrolysis of energetic m-terials using different techniques. J. Analyt. Appl. Pyrol. 2021. V. 161. Art. 105364. DOI: 10.1016/j.jaap.2021.105364.
Witkowski A., Stec A.A., Hull T.R. Thermal Decomposition of Polymeric Materials. In: SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 5th ed. NY, USA: Springer. 2016. 3493 p. DOI: 10.1007/978-1-4939-2565-0_7.
Coats A.W., Redfern J.P. Kinetic parameters from thermo-gravimetric data. Nature. 1964. V. 201 (4914). P. 68-69. DOI: 10.1038/201068a0.
Freeman E.S., Carroll B. The application of thermoanalytical techniques to reaction kinetics. The thermogravimetric evaluation of the kinetics of the decomposition of calcium oxalate monohydrate. J. Phys. Chem. 1958. V. 62. P. 394–397. DOI: 10.1021/j150562a003.
Sharp J.H., Wentworth S.A. Kinetic analysis of thermo-gravimetric data. Anal. Chem. 1969. V. 41 (14). P. 2060 – 2062. DOI: 10.1021/ac50159a046.
Vyazovkin S. Computational aspects of kinetic analysis: Part C. The ICTAC Kinetics Project—The light at the end of the tunnel? Thermochim. Acta. 2000. V. 355. P. 155–163. DOI: 10.1016/S0040-6031(00)00445-7.
Ozawa T.A. New Method of Analyzing Thermogravimetric Data. Bull. Chem. Soc. Jpn. 1965. 38. P. 1881–1886. DOI: 10.1246/bcsj.38.1881.
Flynn J.H., Wall L.A. A quick, direct method for the determination of activation energy from thermogravimetric data. J. Polym. Sci. Part B Polym. Lett. 1966. V. 4. P. 323–328. DOI: 10.1002/pol.1966.110040504.
Friedman H.L. Kinetics of thermal degradation of charforming plastics from thermogravimetry. Application to a phenolic plastic. J. Polym. Sci. Part C Polym. Symp. 1964. V. 6. P. 183–195. DOI: 10.1002/polc.5070060121.
Vyazovkin S. Modification of the integral isoconversional method to account for variation in the activation energy. J. Comput. Chem. 2001. V. 22. P. 178–183. DOI: 10.1002/1096-987X(20010130)22:2<178::AID-JCC5>3.0.CO;2-#.
Akahira T., Sunose T. Method of determining activation deterioration constant of electrical insulating materials. Res. Rep. Chiba Inst. Technol. (Sci. Technol.). 1971. V. 16. P. 22–23.
Matala A., Lautenberger C., Hostikka S. Generalized direct method for pyrolysis kinetic parameter estimation and comparison to existing methods. J. Fire Sci. 2012. V. 30. P. 339–356. DOI: 10.1177/0734904112439840.
Friedman H.L. New methods for evaluating kinetic parameters from thermal analysis data. Polym. Lett. 1969. V. 7. P. 41–46. DOI: 10.1002/pol.1969.110070109.
Mcgrattan K., Mcdermott R., Mell W., Forney G. Modeling the burning of complicated objects using lagrangian particles. In: Proceedings of the 2010 Interflam Conference. Nottingham, UK. July 4–7. 2010. P. 1–12.
Lyon R., Safronava N., Öztekin E. A Simple Method for Determining Kinetic Parameters for Materials in Fire Models. In: Proceedings of the Fire Safety Science Proceedings of the 10th International Symposium. College Park, MD, USA. June 19–24. 2011. P. 765–777. DOI: 10.3801/IAFSS.FSS.10-765.
Kissinger H.E. Reaction Kinetics in Differential Thermal Analysis. Anal. Chem. 1957. V. 29. P. 1702–1706. DOI: 10.1021/ac60131a045.
Vyazovkin S. Determining Preexponential Factor in Model-Free Kinetic Methods: How and Why? Molecules. 2021. V. 26. Art. 3077. DOI: 10.3390/molecules26113077.
Muravyev N.V., Pivkina A.N., Koga N. Critical appraisal of kinetic calculation methods applied to overlapping multi-step reactions. Molecules. 2019. V. 24. N 12. P. 2298. DOI: 10.3390/molecules24122298.
Dhaundiyal A., Mohammad A. Th., Laszlo T. Thermo-kinetics of forest waste using modelfree methods. Universitas Scientiarum. 2019. V. 24. N 1. P. 1-31. DOI: 10.11144/Javeriana.SC24-1.tofw.
Mishra G., Bhaskar T. Non isothermal model free kinetics for pyrolysis of rice straw. Biores. Technol. 2014. V. 169. P. 614-621. DOI: 10.1016/j.biortech.2014.07.045.
Flynn J.H. A General Differential Technique for the Determination of Parameters for dα/dt = f(α)Aexp(-E/RT): energy of activation, preexponential factor and order of reaction (when applicable). J. Therm. Anal. 1991. V. 37. P. 293-305. DOI: 10.1007/BF02055932.
Flynn J.H. The ‘Temperature integral’– Its use and abuse. Thermochim. Acta. 1997. V. 300. P. 83-92. DOI: 10.1016/S0040-6031(97)00046-4.
Mal’ko M.V., Vasilevich S.V., Mitrofanov A.V., Mizonov V.E. An innovate method of thermogravimetric data analysis. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 3. P. 24-32. DOI: 10.6060/ivkkt.20216403.6348.
Benhamada M., Bouzid D., Saouli O., Boyron O. The Effects of Hydrothermal Aging Characterized by SEC on the Degradation Kinetic of Polycarbonate Calculated through TGA. Chem. Eng. Transact. 2015. V. 43. P. 1183-1188.
Ruming P., João Vitor F. Duque, Gerald D. Investigating waste plastic pyrolysis kinetic parameters by genetic algorithm coupled with thermogravimetric analysis. Waste Bio-mass Valorization. 2021. V. 12 (5). P. 2623-2637. DOI: 10.1007/s12649-020-01181-4.
Starink M.J. The determination of activation energy from linear heating rate experiments: a comparison of the accuracy of isoconversion methods. Thermochim. Acta. 2003. V. 404. P. 163–176. DOI: 10.1016/S0040-6031(03)00144-8.
Sbirrazzuoli N. Is the Friedman Method applicable to transformations with temperature dependent reaction heat? Mac-romol. Chem. Phys. 2007. V. 208. P. 1592–1597. DOI: 10.1002/macp.200700100.
Doyle C.D. Estimating isothermal life from thermogravimetric data. J. Appl. Polym. Sci. 1962. V. 5. P. 285 – 292. DOI: 10.1002/app.1961.070051506.
Koga N. Ozawa’s kinetic method for analyzing thermoanalitical curves. J. Therm. Anal. Calorim. 2013. V. 113. P. 1527 – 1541. DOI: 10.1007/s10973-012-2882-5.
Braun R.L., Burnham A.K., Reynolds J.G., Clarkson J.E. Pyrolysis kinetics for lacustrine and marine source rocks by programmed micropyrolysis. Energy Fuel. 1991. V. 5. P. 192–204. DOI: 10.1021/ef00025a033.
Lopes F.C.R., Tannous K., Rueda-Ordóñez Y.J. Combustion reaction kinetics of guarana seed residue applying isoconversional methods and consecutive reaction scheme. Biores. Technol. 2016. V. 219. P. 392–402. DOI: 10.1016/j.biortech.2016.07.099.
Polina I.N., Mironov M.V., Belyy V.A. Thermogravimetric and kinetic study of fuel pellets from biomass of Heracleum Sosnowskyi Manden. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 4. P. 15-20 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20216404.6338.
Mariandyshev P.A., Chernov A.A., Lyubov V.K. Thermogravimetric and kinetic data analysis of wood biofuels in the North-Western region of the Russian Federation. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Lesnoy Zhurn. 2016. N 1. P. 167-182 (in Russian).
Mariandyshev P.A., Chernov A.A., Lyubov V.K. Analysis of thermogravimetric data for different forms of wood. Khim. Tverdogo Topliva. 2015. N 2. P. 59-64 (in Russian). DOI: 10.3103/S0361521915020081.
Jeguirim M., Bikai J., Elmay Y., Limousy L., Njeugna E. Energy for sustainable development, thermal characterization and pyrolysis kinetics of tropical biomass feedstocks for en-ergy recovery. Energy Sustain. 2014. V. 23. P. 188–193. DOI: 10.1016/j.esd.2014.09.009.
Bhavanam A., Sastry R.C. Kinetic study of solid waste pyrolysis using distributed activation energy model. Bioresour. Technol. 2015. V. 178. P. 126–131. DOI: 10.1016/j.biortech.2014.10.028.
Tsar S., Kaya F., Ozer A. A study on the pyrolysis of peanut shell at different isothermal condition and determination of the kinetic parameters. Pamukkale Univ. J. Eng. Sci. 2015. V. 21 (7). P. 306–313. DOI: 10.5505/pajes.2014.74936.
