تأثیر آروماتیسیته روی کیفیت کک‌سوزنی

کک‌سوزنی ماده مهمی برای الکترودهای گرافیت است. از کک‌تاخیری برای تولید کک‌سوزنی استفاده می­‌شود. تولید کک‌سوزنی باکیفیت خوب ساده نیست، زیرا یک فرایند کنترل شده با چند پارامتر است. به‌علاوه، مهم است که مکانیسم مسئول، فرآیند کک شدن تاخیری، که شامل تشکیل مزوفاز و بازآرایی تک محوری است، باشد.

رشد مزوفاز حین کربونیزاسیون خوراک به طور اساسی به ویژگی­‌های شیمیایی اجزای خوراک بستگی دارد. واکنش‌­پذیری در این مرحله به آروماتیسیته، تعداد زنجیرهای آلکیل و تعداد حلقه­‌های نفتنیک بستگی دارد.
این معیارها در تناظر با موارد ذکر شده به نوعی پایداری حرارتی، واکنش‌پذیری برای آغاز فرآیند رادیکال آزاد و امکان پایداری از طریق انتقال هیدروژن هستند؛ بنابراین، عوامل مختلفتی بر خوراک مطلوب تاثیر می­‌گذارند. یکی از این عوامل آروماتیسیته است.

ترکیب مولکولی خوراک بیش‌ترین تأثیر را بر کیفیت کک به عنوان ماده اولیه الکترود دارد. هم‌چنین میزان آروماتیک خوراک، نشانگر مناسبی برای پیش‌بینی ساختار ناهمسانگرد کک‌سوزنی است. با این وجود تنها میزان آروماتیسیته که با روش NMR و یا  FTIRتوسط Aromatic Index تعیین می­‌شود، کافی نیست و باید تنوع مولکول­‌های آروماتیک را مورد توجه قرار داد.

آروماتیسیته چه تاثیری روی کیفیت کک‌سوزنی دارد؟

برای بررسی­‌ها از تست HPLC با فتودیود  PDAکوپل شده با  LDMS استفاده می‌­شود. بررسی­‌ها درباره، FCCDO نشان می‌دهد اکثر ترکیبات موجود در قیر، مشتمل بر PAH های سه تا (phenanthrene, pyrene, chrysene, perylene, benzopyrene, benzoperylene) شش حلقه­‌ای هستند.

با بررسی تأثیر آروماتیسیته روی چگالی ساختار  Flowو  CTE با استفاده از بمب لول‌ه­ا، نتایج مختلفی حاصل شده‌­اند. با وجود آروماتیسیته 71 درصد بیش‌ترین میزان ساختار  flowتشکیل شد. با استفاده از ماده LSVR که حدود 44 تا 52 درصد آروماتیسیته دارد، CTE بیشتری به دست می­‌آید که دلیل آن ساختار با جهت­‌گیری­‌های تصادفی بوده است که نسبت به ساختارflow جهت­‌گیری کمتری دارد. وجود آسفالتین باعث ایجاد ساختار ایزوتروپ می­‌شود که CTE این ماده در مقایسه با مواد اولیه با آسفالتین کمتر حدود 10 برابر بیشتر است. طبق مطالعات انجام شده (مثلا توسط سشاردی در سال 1982) افزایش درصد آروماتیسیته پیش‌ماده کک‌سوزنی که توسط آنالیز  FTIR انجام می­‌شود، باعث بیشتر شدن ناهمسان‌گردی ساختار و در نتیجه کاهش  CTEمی‌­شود.

دلیل وجود آروماتیسیته بالا و گونه­‌های هیدروژن دهنده این است که این مواد رادیکال­‌های تولید شده در مراحل میانی کربونیزاسیون را گرفته و از اتصال عرضی PAH ها جلوگیری کرده که این امر موجب افزایش مدت زمان مایع بودن مزوفاز شده که باعث رشد بیشتر مزوفاز و انعقاد این کرات شده و ناهمسان‌گردی سیستم را بیش‌تر می­‌کند.

بر اساس گزارش‌­ها، پیش‌ماده بهینه برای تولید مزوفاز ناهمسان‌گرد، وجود نفتالن و متیل نفتالن است که به دلیل وجود دو حلقه آروماتیک و گروه آلکیل، امکان ایجاد پل با سایر آروماتیک‌­ها را دارد. همچنین مزیت دیگر این مولکول­‌ها، فراوانی نسبتا زیاد گونه­‌های هیدروژن­دهنده (هیدروژن­‌های متصل به حلقه) است. در مطالعات انجام شده، فرآیند کربونیزاسیون، از اتصال حلقه­‌ها به هم و ایجاد حلقه­‌های به هم چسبیده تشکیل می­‌شود.

مرحله آغازین فرآیند کربونیزاسیون مشتمل است بر جدا شدن هیدروژن متصل به حلقه­‌ها و جدا شدن پیوند C-Hگروه آلکیل متصل به حلقه. این مرحله باعث ایجاد پیوندهای آریل-آریل می­‌شود. ادامه این فرآیند موجب جدا شدن هیدروژن­‌های متصل به صفحه گرافن می­‌شود. ادامه این فرآیند و جدا شدن هیدروژن­‌های متصل به حلقه باعث به وجود آمدن اولین پیش ماده‌­های صفحه گرافن می­‌شود. این صفحه گرافن به عنوان سلول واحد سازنده ساختار گرافیت است. توسعه مزوفاز و اتصال آن‌­ها به هم و افزایش ناهمسان‌گردی ساختار زمانی است که مولکول­‌های صفحه‌­ای آروماتیک به جرم مولکولی 400 تا 3000 واحد جرم مولکولی برسد.

منبع:

برگرفته از کتاب جامع از نفت تا گرفت؛ مسئله الکترود گرافیتی