应用故事 | 还原性气氛下的热分析测试

在热分析测试中，与试样相接触的气氛十分重要，不同的实验气氛条件下得到的热分析曲线不尽相同。在常规测试中，气氛的选择主要以惰性气氛（如N2、Ar）和氧化性气氛（如Air、O2）为主，那么对于特殊气氛，如还原性气体（H2、CO、CH4），我们该如何操作，需要注意哪些问题。本篇将以还原性气氛为例，介绍了还原性气体在使用过程中的相关注意事项以及相应的测试案例。

对于还原性气体（H2、CO、CH4），我们务必要注意气体爆炸和中毒问题。氢气H2、一氧化碳CO和甲烷CH4的爆炸极限分别是4.0%～75.6%、12.5%～74.2%和4.9%~16%，该百分数均是指体积浓度，即若上述还原性气体与空气混合达到上述比例，遇明火就会发生爆炸，故对测试设备的密封性要求颇高。另外，在使用一氧化碳和甲烷时，需要注意气体泄漏和通风不良的问题，以防引起人体中毒。

1. 冶金原料粉在不同氢气浓度下的还原反应

测试与讨论

2. 焦炭的气化反应

· 气氛：CO2

测试与讨论

如图2分别是气煤制成的焦炭和焦煤制成的焦炭在反应前后的样品形貌。这里焦炭和CO2会反应生成CO：CO2+C→2CO。虽然测试气氛是弱氧化性的CO2，但因反应生成的还原性CO，故支架的热电偶类型需要选择WRe热电偶，测试前、后亦需要进行预抽真空置换。图3和图4分别是气煤制成的焦炭和焦煤制成的焦炭在CO2气氛下的TG曲线。由TG曲线可知，气煤制成的焦炭和焦煤制成的焦炭在CO2气氛下的热失重百分数分别为86.49%和77.64%。气煤制成的焦炭的焦炭气化反应程度会高一些。

图3.气煤制成的焦炭在CO2气氛下的TG曲线

3. 铁氧化物的等温还原反应

测试与讨论

4. 冶金原料粉在不同氢气浓度下的还原反应

测试与讨论

这是因为发生了布杜阿尔反应(Boudouard reaction)：2 CO ⇆ CO2 + C，即CO发生了分解，其结果是导致固体碳的沉积（析碳反应）。如图7是不同温度下的气体反应浓度曲线，当反应温度超过400oC时,布杜阿尔反应(即CO歧化为C和CO2)开始变得活跃，将碳沉积出来。该析碳反应本身的反应条件比较苛刻，通常情况下不会发生，但如果体系中存在某些催化剂，例如铁和铁的氧化物等，那么对析碳反应极其有利，可能在400-600℃就会出现析碳。而在测试中，客户先前的测试样品中恰好含有方铁矿FeO，故这就是该支架使用后变黑的缘故了。

作者

九游总代理医疗仪器子公司应用软件科学试验室