Thermogravimetry 질량 스펙트럼 분석 진화 가스와 반응에 대 한 정량 분석
Summary
진화 가스의 유량의 정확한 결정 반응의 세부 연구에 열쇠 이다. Thermogravimetry 질량 스펙트럼 분석에 대 한 동등한 특성 스펙트럼 분석의 소설 정량 분석 방법 특성 스펙트럼을 얻기 위해 상대 감도 보정 시스템을 구축 하 여 제공 하는 우리는 흐름 속도입니다.
Abstract
에너지 변환 소재 생산, 야 금 프로세스 동안 반응을 자주 unsteadiness, 다단계, 그리고 멀티 중간체의 특징을 가진다. Thermogravimetry 질량 스펙트럼 (TG-MS) 반응 기능을 공부 하는 강력한 도구로 볼 수 있다. 그러나, 반응 세부 사항 및 반응 메커니즘을 하지 되어 효과적으로 가져올 TG-MS의 이온 전류에서 직접. 여기, 우리는 질량 스펙트럼을 분석 하 고 가능한 정확한 반응 가스의 질량 유량을 주는 동등한 특성 스펙트럼 분석 (ECSA)의 방법을 제공 합니다. ECSA 겹치는 이온 봉우리를 효과적으로 분리 하 고 대량 차별과 온도 따른 효과 제거 수 있습니다. 두 개의 예제 실험 제공 됩니다: (1) 분해 CaCO3 CO2 의 진화 가스와 함께 hydromagnesite의 분해 가스의 CO2 와 H2O, 단일 구성 요소 시스템에 ECSA 평가 진화 Zhundong의 열 분해 무기 가스 CO, H2및 CO2, 그리고 유기 가스 C2H4, C2H6, C3H8, C6H14의 진화 가스와 석탄 측정 및 (2) , 등등, 다 성분 시스템 측정에 ECSA 평가 하. 우리는 ECSA 정확 하 게 유기 또는 무기 가스를 포함 하 여 각 진화 가스의 질량 유량을 제공 설명 특성 스펙트럼의 성공적인 교정 및 특정 가스의 질량 스펙트럼에 ECSA 상대 감도 바탕으로, 뿐만 아니라 단일 하지만 다 성분 반응, 어떤 전통적인 측정에 의해 구현할 수 없습니다.
Introduction
깊이 이해 반응 과정의 진짜 특징은 신소재의 개발 및 새로운 에너지 변환 시스템 또는 야 금 생산 공정1의 설립에 대 한 하나의 중요 한 문제 이다. 거의 모든 반응 조건 하에서 불안정, 수행 됩니다 때문에 그리고 농도 및 반응 물 및 제품의 유량을 포함 하 여 그들의 매개 변수는 항상 온도 또는 압력 변화, 그것 어려운 명확 하 게 하는 Arrhenius 방정식을 통해 예를 들어 매개 변수 하나만으로 반응 기능. 사실, 집중만 구성 요소 및 혼합물 사이의 관계를 의미합니다. 진짜 반응 행동 하지 수 영향 있습니다, 비록 한 복잡 한 반응의 구성 요소의 농도 때문에 다른 구성 요소는 그것에 강한 영향을 할 수도 있습니다 좋은 정도로 조정 된다. 그와 반대로, 절대 수량으로 각 부품의 유량, 반응의 특성을 이해 하 설득력 있는 정보를 줄 수 특히 매우 복잡 한 것 들.
현재, TG-MS 커플링 시스템 전자 이온화 (EI) 기술을 갖춘 진화 가스2,,34반응의 특징을 분석 하기 위한 도구로 널리 사용 되었습니다. 그러나, 처음, 될 주목 한다 이온 전류 (IC)는 MS 시스템에서 얻은 게 직접 유량 또는 진화 가스의 농도 반영 하기 어려운. 대규모 IC 오버랩, 조각, 심각한 대량 차별과는 thermogravimeter에서 가스의 확산 효과 크게 TG MS5에 대 한 정량 분석을 방해 수 있습니다. 둘째,이 가장 일반적 이며 쉽게 사용할 수 있는 강력한 이온화 기술. 쉽게이 장착 한 MS 시스템 파편 귀착되 고 종종 직접 큰 분자량을 가진 유기 가스 일부를 반영 하지 않습니다. 따라서, MS 시스템으로 다른 부드러운 이온화 기법 (예를 들면, photoionization [PI])는 동시에 한 열에 하이픈 및에 적용 발전 가스 분석6. 셋째, 어떤 반응 가스의 동적 특성을 결정 하는 어떤 대량 충전 비율 (m/z)에 IC의 강도 사용할 수, 종종 다른 의해 영향을 때문에 multicomponent 가진 복잡 한 반응에 대 한 Ic 가스 진화. 예를 들어 특정 가스의 IC 곡선에서 드롭 반드시 나타내는 유량 또는 농도;에 감소 대신, 아마 그것은 영향을 다른 가스에 의해 복잡 한 시스템. 따라서, 모든 가스 Ic, 확실히 캐리어 가스와 불활성 가스를 고려 하는 것이 중요 하다.
사실, 정량 분석 크게 질량 스펙트럼에 따라 보정 계수 결정 및 안내-MS 시스템의 상대 감도에 따라 달라 집니다. Maciejewski 및 Baiker7 열 분석기-질량 분석기에는 TA 사중 극 자 MS, 가스 종의 농도 포함 하 여 실험적인 매개 변수 효과 열된 모 세관에 의해 연결 되어 (TA-MS) 시스템 조사 온도, 유량, 및 대량 spectrometric 분석의 감도에서 캐리어 가스의 속성. 진화 가스는 고체를 통해 잘 알려진, 화학 량 론 반응 하 고 일정 한 속도와 캐리어 가스 기류에 가스의 일정량을 주입의 분해에 의해 보정 했다. MS의 부정적인 선형 상관 관계가 실험 결과 표시 신호 강도 캐리어 가스 유량의 진화 가스 및 진화 가스 MS 강도 분석 된 가스의 양과 온도 의해 영향을 받지 않습니다. 또한, 교정 방법, Maciejewski 그 외 여러분 에 따라 8 열 분석 (PTA) 메서드를 제공 하는 기회를 동시에 질량, 엔 탈피의 변화를 모니터링 하 여 유량을 결정 하 고 가스 조성 반응 과정에서 발생 하는 펄스를 발명. 그러나, 그것은 여전히 전통적인 TG-MS 분석 또는 학부모 메서드를 사용 하 여 (예를 들면, 석탄 연소/화) 복잡 한 반응에 대 한 설득력 있는 정보를 제공 어렵다.
어려움 및 전통적인 측정 및 분석 방법 안내-MS 시스템의 단점을 극복 하기 위해 우리는 ECSA9의 정량 분석 방법을 개발. ECSA의 기본 원리 안내-MS 커플링 메커니즘을 기반으로 합니다. ECSA 모든 가스 Ic, 반응 가스, 캐리어 가스, 불활성 가스 ‘ 등 계정에 걸릴 수 있습니다. 후 보정 요소와 일부 가스의 상대 감도, 각 부품의 대량 또는 어 금 니 흐름 율 IC 매트릭스 (즉, TG-MS의 질량 스펙트럼)의 계산으로 확인할 수 있습니다. 다른 방법에 비해, ECSA TG-MS 시스템에 대 한 수 있습니다 효과적으로 겹치는 스펙트럼 고 대량 차별과 TG의 온도 따른 효과 제거 합니다. ECSA에서 생성 하는 데이터는 진화 가스의 질량 유량 및 차동 thermogravimetry (DTG) 대량 손실 데이터 간의 비교를 통해 신뢰할 수 입증 해야 합니다. 이 연구에서 우리 실험 (그림 1)을 수행 하는 고급 안내-DTA-EI/PI-MS 악기10 을 사용. 원통형 4 극 자 MS와는 가로 thermogravimetry 차동 열 분석기 (TG-DTA) EI와 PI 모두 모드가 고 대충 훑어 인터페이스 장비이 계기에 의하여 이루어져 있다. ECSA TG-MS 시스템에 대 한 (즉, 동일한 상대 압력) 정량 분석을 구현 하 실제 안내-MS 커플링 메커니즘을 활용 하 여 모든 진화 가스의 물리학 매개 변수를 결정 합니다. 전체 분석 프로세스 교정, 자체 테스트 및 데이터 분석 (그림 2)를 포함합니다. 우리 두 예제 실험을 제시: (1) 분해 CaCO3 만의 진화 CO2 의 가스와 발전된 가스의 CO2 와 H2O, 단일 구성 요소 시스템에 ECSA 평가와 hydromagnesite의 분해 측정 및 (2) 무기 가스 CO, H2와 CO2및 유기 가스 채널4, C2H4, C2H6, C3H8의 진화 가스와 갈색 석탄의 열 분해 C6H14, 등, 다 성분 시스템 측정에 ECSA 평가 하. ECSA TG-MS 시스템에 따라 양적 열 반응에서 진화 가스의 양을 결정에 대 한 포괄적인 솔루션 방법입니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 프로토콜 TG-MS 시스템으로 공부 하는 진화 가스와 열 분해 반응에 대 한 다른 측정에 맞게 쉽게 수정 수 있습니다. 우리가 알고 있는, 석탄, 바이오 매스의 열 분해에서 진화 휘발성 또는 다른 고체/액체 연료만 무기 가스를 항상 포함 되지 않습니다 (예를 들어, CO, H2및 CO2) 또한 유기 하지만 것 들 (예를 들어, C2H 4 , C6H5오, 그리고 C<sub…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 기꺼이 국가 자연 과학 재단의 중국 (보조금 번호 51506199) 로부터 재정 지원을 인정 한다.
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).
