ガス発生反応の熱重量測定-質量スペクトル解析による定量的解析
Summary
進化したガスの流量の精密測定は、反応の詳細を研究するキーです。我々 は特徴的なスペクトルを取得するための相対感度の校正体制を確立する熱重量測定-質量スペクトル分析用と同等の特性スペクトル分析の定量解析手法を提供する、流量。
Abstract
エネルギー変換、物質生産、冶金プロセス、中に反応はしばしば非定常性、段階的とマルチの中間の機能を持っています。熱重量測定-質量スペクトル (TG MS) は、反応機能を勉強する強力なツールと見られています。ただし、詳細反応と力学反応が得られていない効果的に TG MS のイオン電流から直接。ここでは、質量スペクトルを分析し、できるだけ正確な反応ガスの質量流量の同等の特性スペクトル解析 (ECSA) のメソッドを提供します。ECSA は効果的にイオンの重複ピークを分離し、大量差別と温度依存性の影響を除去できます。2 つの例の実験を紹介する: (1) と hydromagnesite の分解とガス CO2の CaCO3の分解進化した CO2 H2O、単一コンポーネント システムに ECSA を評価するためのガスZhundong の熱分解石炭無機ガス CO、H2と CO2、および有機ガス C2H4C2H6C3H8C6H14 の発生ガスの測定と (2)など、多成分系測定 ECSA を評価します。我々 は、ECSA が有機又は無機ガスを含む、各ガスの質量流量を正確に与えることを示す特徴的なスペクトルの成功の校正と特定のガスの質量スペクトルを ECSA 相対感度に基づいて、シングルだけでなく、多成分反応、伝統的な測定を実装できません。
Introduction
反応プロセスの本当の機能は、先端材料の開発と新しいエネルギー変換システムや冶金生産プロセス1の確立のための 1 つの重要な問題の深さを理解すること。非定常条件の下で行われているほとんどすべての反応と濃度、反応や製品、流量など、パラメーターは、温度や圧力と常に変わり、明らかに特徴付けることは困難だ、1 つだけパラメーター、例えばアレニウス式により反応機能。実際には、濃度は、コンポーネントおよび混合物間の関係のみを意味します。にもかかわらず、大幅に複雑な反応の 1 つのコンポーネントの濃度を調整すると、他のコンポーネント可能性があります強い影響を持っているので、実際の反応動作可能性があります影響ありません。絶対的な量として、各部の流量が、反応の特性を理解するための説得力のある情報を与えることができる一方、特に非常に複雑なもの。
現時点では、電子イオン化 (EI) 法を備えた TG MS カップリング システムは、反応ガス2,3,4の特徴の分析の一般的なツールとして使用されています。しかし、まず、それ必要があります注意するイオン電流 (IC) MS システムから得られるが、流量や進化したガスの濃度を直接反映することは困難。大規模な IC 重なり合い、フラグメント、重度の質量差別、および、熱の炉中のガスの拡散効果は大きく TG MS5の定量的解析を妨げることができます。第二に、EI は、最も一般的なすぐに利用できる強力なイオン化法です。EI の装備を簡単に MS システムはフラグメントで結果し、大きな分子量を持ついくつかの有機ガスを多くの場合直接反映されません。したがって、異なるソフトのイオン化テクニック (例えば、光イオン化 [PI]) が天秤にハイフンが同時に必要なに適用される MS システムはガス分析6進化。第三に、反応のあらゆるガスの動的特性を決定するのにいくつかの電荷質量比 (m/z) で IC の強度は使用できません、多成分の複雑な反応のための ICs がガスを進化してそれが多くの場合他の影響を受ける。たとえば、特定のガスの IC のカーブのドロップ、必ずしもその流量や濃度の減少代わりに、多分それは影響を他のガスによって複雑なシステム。したがって、すべてのガスの Ic、確かにキャリア ガス、不活性ガスを考慮する重要です。
実際には、大幅質量スペクトルに基づく定量的分析は、校正係数の決定と TG MS システムの相対感度に依存します。Maciejewski と Baiker7検討熱分析装置質量分析計 (TA MS) システム、TA は四重極 MS、ガス種の集中を含む実験的パラメーターの効果に温水管で接続されています。温度、流量、および質量分析における感度にキャリアガスのプロパティ。進化したガスは、固体を介してよく知られている、化学量論的反応とキャリアのガスの流れに一定速度でガス量を注入することの分解による較正されました。MS の負相関がある実験結果ショーは信号キャリア ガス流量のガスとガス温度と分析されたガスの量に左右されない MS 強度の強さです。さらに、Maciejewskiら校正法に基づく8パルス反応コースに起因する質量、エンタルピーの変更を同時に監視することにより流量を決定し、ガス組成変化する機会を提供する熱分析 (PTA) 法を発明しました。ただし、まだ伝統的な TG MS 分析や PTA メソッドを使用して、複雑な反応 (例えば、石炭燃焼・ ガス化) について説得力のある情報を提供するは難しいです。
難しさと伝統的な測定と TG MS 系の解析手法の欠点を克服するために ECSA9の定量分析法を開発しました。ECSA の基本的な原則は、TG MS カップリングのメカニズムに基づいています。ECSA をすべてガス ICs、反応ガス、キャリア ガス、不活性ガスなど考慮することができます。いくつかのガスの相対感度の校正係数をビルド後、IC 行列 (すなわち、 TG MS の質量スペクトル) の計算によって各コンポーネントの本物の質量やモル流量を決定できます。他の方法と比較して、TG MS システム ECSA 効果的に重複するスペクトルを分離でき大量差別と TG の温度依存性の影響を排除します。ECSA によって生成されたデータは、進化したガスの質量流量と微分熱重量測定 (DTG) による質量損失データの比較によって信頼できると証明しています。本研究では実験 (図 1) を実施する高度な TG-DTA-EI/PI-質量計測器10を使用しました。この楽器は、円筒形の四重極 MS 水平微分熱重量分析熱アナライザー (TG DTA) スキマー インターフェイスと EI と PI の両方のモードを装備で構成されます。ECSA TG MS システムのため (すなわち、等しい相対圧力) 定量分析を実装する実際の TG MS カップリング機構を活用したすべての発生ガスの物理パラメーターを決定します。分析のプロセス全体には、較正、テスト自体、およびデータ分析 (図 2) が含まれています。2 つの例の実験を提案する: (1) だけで CaCO3の分解進化 CO2のガスとガス CO2 H2O、単一コンポーネント システムに ECSA を評価するのに hydromagnesite の分解測定と (2) 進化したガスと C3H8, C2H6H2と CO2、有機ガス CH4C2H4無機ガス CO の褐炭の熱分解C6H14等、多成分系測定 ECSA を評価します。ECSA TG MS システムに基づいては、定量的熱反応でガスの量を決定するための包括的なソリューション方法です。
Protocol
Representative Results
Discussion
このプロトコルは、TG MS システムによって進化したガスと熱分解反応を研究するための他の測定値に合わせて簡単に変更でした。我々 は知っている、バイオマス、石炭の熱分解から進化した揮発性または他の固体/液体燃料が常に無機ガスのみを含まない (例えばCO、H2と CO2) が、また有機もの (例えばC2H4、C6H5オハイオ州、および …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
作者は感謝して中国の国家自然科学基金 (許可番号 51506199) から金融サポートを認めます。
Materials
| CaCO3 and Ca(OH)2 | Sinopharm Chemical Reagent | ||
| hydromagnesite | Bangko Coarea in Tibet | ||
| Zhundong coal | the coal field in the Mori Kazak Autonomous County, Junggar basin, Xinjiang province of China | ||
| ThermoMass Photo/H | Rigaku Corporation | ||
| The STA449F3 synchronous thermal analyzer and QMS403C quadrupole MS analyzer | NETZSCH |
Referências
- Li, R. B., Xia, H. D., Wei, K. . 15th International Conference on Clean Energy (ICCE-2017). , (2017).
- Zou, C., Ma, C., Zhao, J., Shi, R., Li, X. Characterization and non-isothermal kinetics of Shenmu bituminous coal devolatilization by TG-MS. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 127, 309-320 (2017).
- Jayaraman, K., Kok, M. V., Gokalp, I. Thermogravimetric and mass spectrometric (TG-MS) analysis and kinetics of coal-biomass blends. Renewable Energy. 101, 293-300 (2017).
- Tsugoshi, T., et al. Evolved gas analysis-mass spectrometry using skimmer interface and ion attachment mass spectrometry. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 80 (3), 787-789 (2005).
- JaenickeRossler, K., Leitner, G. TA-MS for high temperature materials. Thermochimica Acta. (1-2), 133-145 (1997).
- Fendt, A., Geissler, R., Streibel, T., Sklorz, M., Zimmermann, R. Hyphenation of two simultaneously employed soft photo ionization mass spectrometers with thermal analysis of biomass and biochar. Thermochimica Acta. , 155-163 (2013).
- Maciejewski, M., Baiker, A. Quantitative calibration of mass spectrometric signals measured in coupled TA-MS system. Thermochimica Acta. 295 (1-2), 95-105 (1997).
- Maciejewski, M., Muller, C. A., Tschan, R., Emmerich, W. D., Baiker, A. Novel pulse thermal analysis method and its potential for investigating gas-solid reactions. Thermochimica Acta. 295 (1-2), 167-182 (1997).
- Xia, H. D., Wei, K. Equivalent characteristic spectrum analysis in TG-MS system. Thermochimica Acta. 602, 15-21 (2015).
- Li, R. B., Chen, Q., Xia, H. D. Study on pyrolysis characteristics of pretreated high-sodium (Na) Zhundong coal by skimmer-type interfaced TG-DTA-EI/PI-MS system. Fuel Processing Technology. 170, 79-87 (2018).
- Li, C. Z. Some recent advances in the understanding of the pyrolysis and gasification behaviour of Victorian brown coal. Fuel. 86 (12-13), 1664-1683 (2007).
- Song, H. J., Liu, G. R., Zhang, J. Z., Wu, J. H. Pyrolysis characteristics and kinetics of low rank coals by TG-FTIR method. Fuel Processing Technology. 156, 454-460 (2017).
- Kashimura, N., Hayashi, J., Li, C. Z., Sathe, C., Chiba, T. Evidence of poly-condensed aromatic rings in a Victorian brown coal. Fuel. 83 (1), 97-107 (2004).
- Li, C. Z., Sathe, C., Kershaw, J. R., Pang, Y. Fates and roles of alkali and alkaline earth metals during the pyrolysis of a Victorian brown coal. Fuel. 79 (3-4), 427-438 (2000).
