ریزساختارهای کک؛ ویژگی‌ها و مزایا
اگر تشکیل مزوفاز بسیار سریع باشد، لزجت افزایش می‌یابد و تجمیع آن‌ها عقب می‌افتد که منجر به تشکیل حوزه‌های کوچک بصری و تشکیل خانواده از ریزساختارها به اسم موزاییک می‌شود که شامل ریز، متوسط و درشت است.
اگر تشکیل مزوفاز بسیار سریع باشد، لزجت افزایش می‌یابد و تجمیع آن‌ها عقب می‌افتد که منجر به تشکیل حوزه‌های کوچک بصری و تشکیل خانواده از ریزساختارها به اسم موزاییک می‌شود که شامل ریز، متوسط و درشت است. این ریزساختار به صورت همسانگرد در ابعاد میکرومتر یا میلی‌متر است و متشکل از مجموعه‌ای از گوی‌ها با اندازه‌های مختلف است. در شکل زیر درون گوی‌ها با اندازه‌های کوچکتری نواحی ناهمسانگرد مشاهده می‌شود.
ریزساختار کک
اگر سینتیک تشکیل مزوفاز فرصت تشکیل گوی‌ها و تجمیع آن‌ها را فراهم کند، ریزساختارهایی شبیه به حوزه‌های جریان تولید می‌شوند. الگوهای جریان شامل درشت، دانه دانه و ورقه‌های نازک است. این ریزساختارها مجموعه‌ای از حوزه‌های کشیده شده هستند که در گریدهای با کیفیت بالای کک اسفنجی و کک سوزنی مشاهده شده‌اند. این کک‌ها به عنوان کک‌های ناهمسانگرد شناخته می‌شوند.
شکل 1. ریزساختار یک کک همسانگرد که ساختاری با ریزساختار موزاییک ریز دارد.
شکل 2. ریزساختار یک کک ناهمسانگرد و دارای حوزه جریان
از گذشته، یکی از مطمئن‌ترین روش‌ها برای ارزیابی ریز ساختار کک‌ها، اندیس بصری بافت (OTI) بوده است. فرآیند بررسی کک‌ها شامل قرار دادن آن‌ها در یک رزین اپوکسی و پولیش کردن سطح صاف آن‌ها با پودر آلومینا است. سطح پولیش شده کک، سپس زیر میکروسکوپ نوری با بزرگنمایی پایین مشاهده می‌شود. با مشاهده بزرگنمایی کک و بررسی شکل‌ها و ساختارهای تشکیل شده می‌توان با شمارش نقاط، اندازه اندیس و نسبت وضعیت ناهمسانگردی به همسانگردی ماده در ابعاد میلی‌متری را مشخص کرد.
در جدول زیر اندیس‌های مرجع برای بررسی ریزساختارها آورده شده است (ریزساختارهای مختلف تشکیل شده در کک‌های گوناگون).
هرچه این اندیس بالاتر باشد، ساختار منظم‌تر یا ناهمسانگرد است. هرچه قدر میزان ناهمسانگردی در زمینه کربنی بالاتر باشد، تأثیرات عمده‌ای در عملکرد پرکننده‌های کربنی در الکترود گرافیتی از جمله CTE خواهد داشت.
ریزساختار کک سوزنی
شکل زیر مونتاژی از ریزساختارهای کک سوزنی را نشان می‌دهد. کک سوزنی ریزساختاری متشکل از حوزه‌های جریان نازک و بلند دارد. این مورفولوژی به طور کلی ناشی از تولید گازهای هیدروکربنی در حین فرآیند شکست و آزادسازی آن در جهت عمودی است.
شکل 3 ریزساختارهای گوناگون تشکیل شده از کک سوزنی
برحسب ترکیب شیمیایی خوراک، مورفولوژی ریزساختار کک سوزنی می‌تواند دارای طول‌ها يا عرضه‌ای متفاوت باشد. مورفولوژی حوزه‌های جریان با بررسی مسیر فرار گازها مشاهده می‌شود و ممکن است به طور مستقیم یا منحنی باشد. خوراک‌هایی که کک‌های سوزنی با کیفیت پایین تولید می‌کنند مانند قیر اتیلن، اغلب بازده کک سازی پایینی دارند و ریزساختار آن‌ها ترکیبی از مدل‌های مختلف ریزساختاری از موزاییک‌های متوسط تا درشت است. کک‌های سبز با بازده کک‌سازی پایین نیز معمولا با تولید مورفولوژی‌های با تخلخل بالا شناخته می‌شود که در شکل 3 قسمت dنشان داده شده است.
روش‌های تحلیل ریز ساختار کک
بین کک سوزنی و کک با ساختار ایزوتروپ، کک‌های زیادی را می‌توان قرار داد. در واقع این دو کک دو سر طیف کک‌ها هستند. بنابراین کک‌ها می‌توانند بر اساس ریزساختارشان، کاربردهای مختلفی داشته باشند. با اینکه ساختار کک تنها عامل تعیین کننده کاربرد کک نیست، اما به عنوان اولین معیار برای انتخاب کک برای کاربرد خاص محسوب می‌شود.
ساختار کک نفتی بر اساس میزان ناهمسانگردی توصیف می‌شود به گونه‌ای که کک سوزنی بیشترین میزان ناهمسانگردی را دارد. به طور کلی دو روش برای تعیین میزان ناهمسانگردی کک استفاده می‌شود:
- تعیین ناهمسانگردی با استفاده از میکروسکوپ با نور پلاریزه شده
- استفاده از XRD برای ارتباط دادن ارتفاع کریستالی با ناهمسانگردی استخراجی از میکروسکوپ نوری
از آنجایی که میکروسکوپ نوری با نور کار می‌كند، حد تفکیک آن محدودیت دارد ولی استفاده همزمان از این دو روش معمول است.
علاوه بر ریزساختار، ابزار دیگر نظیر سختی، چگالی، درصد گوگرد و نیز CTE به عنوان روش‌هایی برای مشخصه‌یابی کک مورد استفاده قرار می‌گیرد.
بررسی‌ها نشان می‌دهد که بین CTE و ناهمسانگردی سیستم ارتباط وجود دارد. افزایش میزان ناهمسانگردی ریزساختار به کمینه شدن مقدار CTE ختم شده که معرف کک سوزنی است. کم بودن میزان ناهمسانگردی در سیستم باعث افزایش مقدار CTE شده که بسته به میزان این ضریب، معرف کک اسفنجی و کک گلوله‌ای است. همچنین وجود گوگرد به دلیل ایجاد پف کردن در سیستم، باعث از بین رفتن خواص سیستم می‌شود.
کاهش اتم‌های ساختاری روی کیفیت کک‌سوزنی چه تاثیری دارد؟
منبع: برگرفته از کتاب جامع از نفت تا گرفت؛ مسئله الکترودگرافیتی
