Cinétique de réaction et Combustion Dynamics I₄ O₉ Et aluminium mélanges

La figure 1a montre le comportement endothermique et exothermique des états initiaux pour les six comburants examinés à partir de l' analyse DSC et la figure 1b montre la perte de masse correspondante de l' analyse TGA. Il est à noter que tous les agents oxydants en cas d' échauffement au – delà de la température de dissociation de I 2 O 5 (350 ° C) perdent 100% en masse , mais l'I 4 O 9 échantillon libère I2 gaz au lieu de l' eau libérée par la déshydratation des espèces hydratées , à des températures inférieures à la température de dissociation de I 2 O 5. L'abondance de I 2 du gaz libéré de la I 4 O 9 échantillons est indiquée sur la figure 1b à plus de 7 en poids.%. La figure 1a montre que les seuls composés de l' iode qui produisent un comportement exothermique est I 4 O 9 et I 2 O 5 formé par décomposition de I 4 O 9, etle dégagement de chaleur correspondant à une température de départ d'environ 180 ° C pour la décomposition en I 2 O 5. La figure 1b montre également que le composé de l' iode avec la plus grande production totale de gaz est de l' iode I 4 O 9. Il n'y a pas endothermes pour I commercial et amorphe 2 O 5 échantillons entre 110 ° C et 210 ° C. Cela montre que ces exemples sont purement I 2 O 5 avec aucun acide iodique. Le nano I 2 O 5 et I 4 O 9 ai exothermes avec température de départ à 150 ° C. Cela montre ces échantillons contiennent 9 I 4 O 6. Le nano I 2 O 5 est traité thermiquement I 4 O 9. Le petit exotherme à 150 ° C montre qu'il ya une certaine résiduelle I 4 O 9 dans le nano I 2 O 5 échantillon. En utilisant les données TGA de la figure 1b, Le résidu I 4 O 9 dans l'échantillon est inférieure à 15 poids.%. Le EIO 3 déshydratent a un seul endotherme à partir de 130 ° C et indique cet échantillon est EIO cristalline 3. Le commercial EIO 3 échantillon a deux endothermes distinctes à partir de 160 ° C et 210 ° C. Un endotherme ayant une température de départ de 160 ° C est en dehors de la gamme de HIO 3 déshydratation dans le manuel CRC 16. Cependant, les résultats TGA montrent une perte de masse de 2,47 en poids.% Sur cette plage indiquant qu'il est la déshydratation d'une espèce hydratés. La figure 2a montre le comportement du flux de chaleur à partir de l' analyse DSC de quatre Al et des mélanges d'oxyde d' iode. Le + I 4 O 9 mélange sec Al a une réaction exothermique à 180 ° C indiquant le comburant est encore I 4 O 9 avec une augmentation de la température de départ. Al + I 4 O 9 et Al + Nano2 O 5 échantillons sont presque identiques. Chacun de ces mélanges ont été traités en utilisant de l' isopropanol comme fluide porteur à l' aide entremêlement et le comportement thermique identique vu dans la figure 2a qui indique que le mélange de poudres dans de l' isopropanol transformé I 4 O 9 dans I 2 O 5. La figure 2b montre I 4 O 9, I 4 O 9 à 20% exposée de HR pendant 4 heures, et nanométrique I 2 O 5 exposé à 20% d' humidité relative pendant 4 heures. Après une exposition de 4 heures à 20% d' humidité relative, I 4 O 9 est identique à nano I 2 O 5 et il y a endothermes à 110 ° C et 210 ° C montrant les échantillons sont partiellement composés de HIO 3 et HI 3 O 8. Ceci peut être expliqué par le I 4 O 9 procédé «sec» de synthèse qui est ensuite chauffé et transformé en I 2 O 5. Le cStructure rystal I 4 O 9 On ne connaît pas, mais parce que l' hydratation est observée (figure 2b fond deux courbes avec endothermes ombrées), la faible densité de la poudre ( par exemple, duveteux nature hautement poreuse), et l'absence d'un solide cristallin rapportée la structure, une structure amorphe est supposé. Nano 2 O 5 est formé par décomposition thermique de l' amorphe I 4 O 9, selon l'équation. (1) tel que I 2 est libérée de l'état amorphe I 4 O 9 laissant amorphe I 2 O 5. Structure cristalline formation d'iode (V) oxydes est catalysée par l'eau. Etant donné que le procédé de synthèse est sec, il n'y a pas d'eau pour catalyser la formation des cristaux. La première étape nécessaire à l'absorption de l'eau est d'augmenter l'humidité relative de perturber les liaisons entre les molécules. Sans cette structure cristalline (qui veut libérer l'eau faiblement liée) l'équilibre dynamique est décalée de sorte I 2 O 5 </sub> Va absorber toute l'eau disponible. Dès que l' eau est absorbée par I 2 O 5, la formation de HIO 3 molécules commencent. HIO 3 présente un atome d' hydrogène qui attire l' oxygène dans I amorphe 2 O 5 et crée une structure de HI 3 O 8 cristalline. L'eau est toujours le catalyseur dans la formation de la structure cristalline. Le procédé de synthèse de I 2 O 5 et I 4 O 9 qui forment une structure amorphe à la place d'une structure cristalline est la raison pour laquelle l' absorption d'eau est observée à humidité relative faible (soit 20%) que ce qui était nécessaire pour commencer l' absorption dans les études antérieures ( ie, 70-80% d' humidité relative) 5,17. En résumé, la structure amorphe des composés d'iode peut favoriser l'absorption des espèces hydratées et la formation d'acides iodique. Dans la figure 2a , les principales exothermes environ 500 ° C sont tous semblables. Dans Al + I 4 O 9mélange à sec, la réaction exothermique à environ 180 ° C indique une transition de phase de I 4 O 9 I 2 O 5. En outre, tous les mélanges ont une réaction de pré-allumage (PIR) entre 300-400 ° C, mais Al + I 4 O 9 et Al + nano I 2 O 5 ai PIR température de démarrage basse et une plus grande amplitude , mais montrent également endothermes uniques suivie par exothermes à 210 ° C. Ces échantillons ont été traités dans l' isopropanol et le comportement à 210 ° C indique que ces échantillons sont partiellement HI 3 O 8. La réaction exothermique peut être la réaction entre HI 3 O 8 et I 4 O 9 parce que HI 3 O 8 est dissociant à peu près la même température que I 4 O 9 décomposition. Ces réactions peuvent aider à promouvoir une plus grande exothermicité dans le PIR et catalyser l'apparition précoce de la PIR. Osborne et Pantoya 20 ont d' abord montré une réaction exothermique précédant la principale exothermique réagissentions Al combustion et inventé ce PIR. Leur analyse indique que la réaction était PIR entre la coque d'alumine entourant un noyau de particules d'aluminium avec du fluor à partir de la décomposition de fluoropolymère 19,20. Farley et al. 4 observations puis étendues du PIR à l' aluminium-alumine particules core-shell réagissant avec les oxydants à base d'iode. Le Al + commercial I 2 O 5 échantillon a une endotherme à 210 ° C indiquant HI 3 O 8 présence et un léger dégagement de chaleur PIR avec la température d'apparition retardée. Mulamba et al. , 21 également montré que la température de début de PIR est dépendante de la concentration. Le tableau 1 montre les résultats de mesure de la vitesse de flamme pour Al mélangé avec l'oxydant indiquée sous forme de mélange sec et aussi mélangés avec de l' isopropanol comme fluide de support de traitement. Seuls les trois premiers échantillons ont été testés après avoir été mélangés dans de l'isopropanol et de l'Al + Commercial EIO 3 mélange sec , soit ne pas enflammer ou ne pas soutenir la réaction assez longtemps pour obtenir des résultats mesurables. L'incertitude pour cent est déterminée sur la base de la reproductibilité d'un maximum de trois expériences séparées pour chaque mélange. la masse volumique apparente est déterminée en fonction de la masse et du volume du tube de mélange en poudre. Lorsque l'on interprète la réactivité avec des mesures de vitesse de la flamme, il existe de nombreux facteurs qui influent sur les résultats tels que l'homogénéité du mélange, la taille des particules et la densité apparente. Homogénéité du mélange peut être optimisée en utilisant un fluide porteur à l'aide entremêlement des réactifs. Le I 4 O 9 examiné dans cette étude est plus stable que étudié précédemment I 4 O 9 échantillons et ne semble pas se décomposer en I 2 O 5 ou former des espèces hydratées vu dans Wikjord et al 6 (comme on le voit dans la figure 1a avec seulement. un dégagement de chaleur correspondant àI 4 O 9 avec décomposition). Toutefois, la seule façon d'observer le rendement de la combustion d'Al + I 4 O 9 est par mélange à sec, sans exposition à l'atmosphère que possible afin de maintenir l'intégrité de la I 4 O 9. En outre, les mesures de vitesse de la flamme d'Al avec les agents oxydants dans différents états nous ont permis de réduire les effets qui causent la variation des résultats de la vitesse de flamme et de révéler des différences attribué spécifiquement à certains composés de l'iode. Ces comparaisons seront discutées ci-dessous. Dans l' ensemble le tableau 1 montre que I 4 O 9 améliore significativement la réactivité par rapport aux autres composés iodés. Le mélange dans un fluide porteur assure une meilleure répartition des particules de combustible et d'oxydant qui augmente l'homogénéité du mélange et de réactivité. Cela se voit dans la différence des vitesses de flamme dans le tableau 1 pour le sécher etisopropanol mixte Al + nano I 2 O 5 et Al + commerciales I 2 O 5 échantillons où la flamme des vitesses a augmenté de 1,07 et 3,34 fois, respectivement. Mélange homogénéité implicite de la vitesse de la flamme mesurée est seulement légèrement améliorée pour le Al + nano I 2 O 5 mélange, alors que l'échelle Al + micron commercial I 2 O 5 présente une triple augmentation de la vitesse de la flamme lorsque l'entremêlement des aides de fluide porteur. Il est clair que la taille des particules et le fluide porteur contribuent à la vitesse de la flamme mesurée. Les effets d'homogénéité peut également être vu par l'incertitude entre les vitesses de flamme. Les échantillons qui sont mélangés dans de l'isopropanol et les échantillons avec des particules plus petites ont moins d'incertitude dans les vitesses de flamme mesurées. Cette petite incertitude est également observée dans tous les échantillons amorphes, ce qui suggère qu'une structure amorphe facilite une meilleure homogénéité dans le mélange à sec. Il est en outre noté que chaque échantillon a été tamisé avant mélange à sec pour briseragglomérats et aider à éliminer l'incertitude causée par une mauvaise homogénéité. Les EIO 3 molécules ont un embout d'hydrogène, qui est électropositif, et un capuchon d'extrémité de l' oxygène, qui est électronégatif et provoque une attraction entre les extrémités de EIO individuelle 3 molécules 22. En raison de cette attraction, au cours de tamiser les EIO 3 particules agglomérées instantanément avant l'Al peut être mélangé. Cela a causé très mauvaise homogénéité et est la raison pour laquelle Al + commerciales EIO 3 échantillons ne pouvait pas entretenir la réaction. Le Al + HIO 3 échantillon de déshydrater avait de l' eau disponible pour catalyser la formation de la structure cristalline (figure 1a), ce qui a réduit, mais n'a pas éliminé cet effet. propagation d'énergie dépend de la densité apparente du mélange réactionnel. La densité va changer en fonction de la concentration des réactifs,de sorte que la masse volumique apparente du mélange est généralement exprimée en pourcentage de la densité maximale théorique (DMT). Le% TMD est calculée en utilisant une moyenne pondérée de la concentration et les densités des réactifs et des comptes de la densité de l'échantillon réel en fonction de sa masse et le volume occupé. De cette façon, la densité apparente en termes de% TMD représente la quantité d'espace solide occupé par le volume (soit 60% TMD est équivalent à 40% de vides d'air et 60% de matières solides). Low% TMD aboutissent généralement à des vitesses de flamme plus élevées que haute% poudres TMD. La plus forte concentration de vides d'air avec inférieure% TMD fournissent des voies convectifs pour améliorer les vitesses de flamme. Pour cette raison, les vitesses de flamme rapportées dans le tableau 1 ne sont pas comparables en fonction du mélange, parce que chacun a été préparé à une masse volumique apparente de façon discrète différente. Deux conclusions peuvent être tirées du tableau 1: (1) I 4 O 9ne peuvent pas être traitées dans l' isopropanol , car il se transforme en I 2 O 5 et modifie ainsi sa réactivité; et (2) 4 O 9 I est plus réactif que I 2 O 5 parce que , à des densités apparentes supérieures et inférieures ( par exemple, 11% par rapport au PTM 8 ou 17% PTM), I 4 O 9 montre une réactivité accrue. Cette découverte suggère que I 4 O 9 serait avantageux pour des applications réactives si elle pouvait être passivé pour améliorer la stabilité. Grâce à la réactivité et l' analyse thermique, les résultats montrent I 4 O 9 peut être plus réactifs que d' autres formes d'iode (V) des oxydes lorsqu'il est combiné avec l' aluminium (Al) en poudre. L'échantillon I 4 O 9 utilisé ici a été synthétisé en utilisant une méthode «sec» qui combine l' oxygène élémentaire et l' iode tels que les espèces hydratés ne sont pas introduites à tout moment au cours de la synthèse. Pour cette raison, I 4 O <sub> 9 échantillon est initialement dépourvue d'acides iodique et produit un grand dégagement de chaleur à basse température ( par exemple 180 ° C) correspondant à sa décomposition en I 2 O 5. L'échelle nanométrique I 2 O 5 particules qui sont créés par la décomposition thermique de I 4 O 9 sont susceptibles amorphe et produisent des vitesses de flamme au- dessus de 1000 m / s lorsqu'il est combiné avec de la poudre de Al (tableau 1). Le + I 4 O 9 réaction Al produit des vitesses de flamme de plus de 1500 m / sec. Cette étude est la première à explorer le potentiel de I 4 O 9 comme une alternative à I 2 O 5 pour les technologies de production d'énergie, en particulier motivés par une forte production de gaz d' iode. Figure 1. DSC Analyse des flux de chaleur / TGA Analyse de la perte de masse a.) Ilau comportement de l' écoulement de l' analyse DSC de six comburants et montre différents états de l' iode (V) oxydes utilisés dans la gamme de iodique acide déshydratation. b) de la perte de masse de l' analyse TG correspondant. Figure 2. DSC Analyse des flux de chaleur. A) Comportement des flux de chaleur à partir de l' analyse DSC pour Al + I 4 O 9 mélange sec et Al + I 4 O 9, Al + nano I 2 O 5 et Al + commercial I 2 O 5 mixte dans l'isopropanol. Plage de température comprend la déshydratation de l' acide iodique et réaction principale plage de températures. B) I 4 O 9 d' abord et je 4 O 9 exposés à 20% d' humidité relative pendant 4 heures. En outre, le I 2 O 5 a été exposé à 20% d' humidité relative pendant 4 heures. <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within page = "always"> Oxidizer Isopropanol mixte Speed Flame (m / sec) % incertitude Speed Dry Mix Flame % incertitude Densité apparente Dry Mix (g / cm 3) Dry Mix% TMD I 4 O 9 1261 * 0,4 1551 3 0,48 11.7 Nano I 2 O 5 1146 4.5 1070 3.7 0,33 8 Commercial I 2 O 5 719 5.5 215 46,5 0,93 22,6 Je Amorphe 2 O 5 NM NM 1085 0,3 0,73 17,8 EIO 3 Déshydratation NM NM 393 12 0,8 19.3 EIO Commercial 3 NM NM NM NM 1.11 27.1 Tableau 1. Résultats de la flamme Vitesse Résultats. Vitesse de la flamme pour Al + comburant indiqués dans la première colonne. NM indique non mesurable. * Indique I 4 O 9 a été décomposé en I 2 O 5 pendant le mélange.