Kvantitativ analyse af Thermogravimetry-masse Spectrum analyse for reaktioner med udviklet gasser

Summary

Præcis bestemmelse af den udviklede gas strømningshastighed er nøglen til at studere detaljer af reaktioner. Vi leverer en roman kvantitativ analysemetode til tilsvarende karakteristiske spektrum analyse af thermogravimetry-masse spectrum analyse ved at etablere kalibreringssystem karakteristiske spektrum og relative følsomhed, for at opnå den strømningshastighed.

Abstract

Under Energikonvertering, materielle produktion og metallurgi processer har reaktioner ofte funktionerne af vaklen, multistep og multi mellemprodukter. Thermogravimetry-masse spektrum (TG-MS) opfattes som et kraftfuldt værktøj til at studere reaktion funktioner. Dog har reaktion detaljer og reaktion mekanik ikke effektivt fremstillet direkte af ion aktuelt af TG-MS. Her, leverer vi en metode af en tilsvarende karakteristiske spektrum analyse (ECSA) for at analysere den masse spektrum og giver massestrømmen af reaktion gasser så præcist som muligt. ECSA kan effektivt adskille overlappende ion toppe og derefter fjerne masse forskelsbehandling og temperatur-afhængige effekt. To eksempel eksperimenter præsenteres: (1) nedbrydningen af CaCO₃ med udviklede gas CO₂ og nedbrydning af hydromagnesite med udviklet gas CO₂ og H₂O, at evaluere ECSA på single-komponent system måling og (2) den termiske pyrolyse af Zhundong kul med udviklet gasser af uorganiske gasser CO, H₂og CO₂og organiske gasser C₂H₄, C₂H₆, C₃H₈C₆H₁₄ , etc., at evaluere ECSA på multi-komponent system måling. Baseret på den vellykkede kalibrering af det karakteristiske spektrum og relative følsomhed af specifikke gas og ECSA på masse spektrum, vise vi at ECSA præcist giver massestrøm af hver udviklede gas, herunder organiske eller uorganiske gasser, for ikke kun enkelt men multi-komponent reaktioner, som ikke kan gennemføres af de traditionelle målinger.

Introduction

Forståelse i dybden de reelle funktioner af en reaktion er et kritisk spørgsmål for udviklingen af avancerede materialer og etablering af en ny energi konvertering system eller metallurgi produktion proces¹. Næsten alle reaktioner er foretaget under usikre forhold, og fordi deres parametre, herunder koncentration og strømningshastigheden af reaktanter og produkter, altid ændre med temperatur eller tryk, det er vanskeligt klart kendetegner den reaktion funktion af kun én parameter, for eksempel gennem Arrhenius ligning. I virkeligheden, indebærer koncentrationen kun forholdet mellem komponenten og blandingen. Virkelige reaktion adfærd kan ikke blive berørt, selvom koncentrationen af en komponent i en kompliceret reaktion er justeret i stor udstrækning, da de andre komponenter kan have en stærkere indflydelse på det. Tværtimod strømningshastigheden af hver komponent, som en absolut mængde, kan give overbevisende oplysninger til at forstå de særlige kendetegn ved reaktionerne, især meget kompliceret ones.

På nuværende tidspunkt, har det TG-MS kobling system udstyret med elektron ionisering (EI) teknik været brugt som en fremherskende værktøj til at analysere funktionerne af reaktioner med udviklet gasser^2,3,4. Men først, skal det bemærkes at den ion aktuelle (IC) fra en MS system gør det vanskeligt at direkte afspejle strømmen eller koncentration af den udviklede gas. Massive IC overlapning, fragment, svær masse forskelsbehandling og diffusion effekt af gasser i ovnen i en thermogravimeter kan høj grad hæmme den kvantitative analyse for TG-MS⁵. Andet, EI er de mest almindelige og let tilgængelige stærk ionisering teknik. En MS system udstyret med EI let resulterer i fragmenter og afspejler ikke ofte direkte nogle organiske gasser med en større molekylvægt. Derfor udviklet MS systemer med forskellige bløde ionisering teknikker (f.eks.photoionization [PI]) samtidigt skal deles til en thermobalance og anvendes gas analyse⁶. Tredje, intensiteten af IC på nogle masse til ladning forhold (m/z) kan ikke bruges til at bestemme den dynamiske egenskab ved enhver reaktion gas, fordi det påvirkes ofte af andre ICs for en kompleks reaktion med flerkomponent udviklet gasser. For eksempel, betyder drop i IC kurven af en bestemt gas ikke nødvendigvis et fald i dens strømningshastighed eller koncentration; i stedet, måske det er påvirket af de andre gasser i den komplekse system. Det er således vigtigt at tage hensyn til alle gasser ICs, sikkert med bæregas og inaktiv gas.

I virkeligheden, afhænger kvantitativ analyse baseret på masse spektrum høj grad af bestemmelse af kalibreringsfaktoren og relative følsomhed af TG-MS system. Maciejewski og Baiker⁷ undersøgt i et termisk analyzer-mass spectrometer (TA-MS) system, hvor TA er forbundet af en opvarmet kapillær til en Quadrupol MS, effekten af eksperimentelle parametre, herunder koncentrationen af gasser arter, temperatur, flow og egenskaber af bæregas på følsomheden af den massespektrometriske analyse. Den udviklede gas blev kalibreret af nedbrydning af de faste stoffer via en velkendt, støkiometriske reaktion og indsprøjte en vis mængde gas i luftfartsselskab gasstrøm med en konstant hastighed. Den eksperimentelle resultater viser, at der er en negativ lineær korrelation af MS signal intensiteten af udviklede gas end strømningshastigheden af den luftfartsselskab, og den udviklede gas MS intensitet ikke er påvirket af temperaturen og mængden af analyseret gas. Yderligere, baseret på kalibreringsmetode, Maciejewski et al. ⁸ opfundet pulsen termisk analyse (PTA) metode, som giver mulighed for at bestemme strømningshastigheden af samtidig overvågning af ændringer af den masse, enthalpi, og gas sammensætning resulterede fra kurset reaktion. Men det er stadig svært at give overbevisende oplysninger om den komplicerede reaktion (fx, kulforgasning forbrænding) ved hjælp af traditionelle TG-MS analyse eller PTA metoder.

For at overvinde de vanskeligheder og ulemperne ved de traditionelle måling og analysemetode til TG-MS system, udviklet vi metoden kvantitativ analyse af ECSA⁹. Det grundlæggende princip om ECSA er baseret på TG-MS koblingsmekanisme. ECSA kan medregne alle gasser ICs, herunder reaktion gasser, carrier gasser og inaktive gasser. Efter opbygning af kalibreringsfaktoren og relative følsomhed af nogle gas, kan den virkelige masse eller kindtand strømningshastigheden af hver komponent bestemmes ved beregning af IC matrix (dvs. masse spektret af TG-MS). Sammenlignet med de andre metoder, kan ECSA for TG-MS system effektivt adskille de overlappende spektrum og eliminere den massive diskrimination og temperatur afhængig af effekten af TG. De data, der er produceret af ECSA har vist sig for at være pålidelig via en sammenligning mellem massestrømmen af udviklede gas og massetabet data af differentierede thermogravimetry (DTG). I denne undersøgelse brugte vi en avanceret TG-DTA-EI/PI-MS instrument¹⁰ for at udføre eksperimenter (figur 1). Dette instrument består af en cylindrisk Quadrupol MS og en vandret thermogravimetry-differentiale termisk analyzer (TG-DTA) udstyret med både EI og PI-tilstand, og med en hulske interface. ECSA for TG-MS system bestemmer fysik parametre af alle udviklede gasarter ved at udnytte den faktiske TG-MS koblingsmekanisme (dvs., en lige relative tryk) til at gennemføre den kvantitative analyse. Den samlede analyse proces omfatter en kalibrering, testen selv og data analyse (figur 2). Vi præsentere to eksempel eksperimenter: (1) nedbrydningen af CaCO₃ med kun udviklet sig gas CO₂ og nedbrydning af hydromagnesite med udviklede gas CO₂ og H₂O, at evaluere ECSA på en single-komponent system måling og (2) den termiske pyrolyse af brunkul udviklet gasser af uorganiske gasser CO, H₂, og CO₂og organiske gasser CH₄, C₂H₄, C₂H₆, C₃H₈, C₆H₁₄, etc., at evaluere ECSA på en multi-komponent system måling. ECSA baseret på TG-MS system er en omfattende løsning metode til kvantitativ bestemmelse af udviklet gasmængden i termisk reaktioner.

Protocol

1. kalibrering af ECSA for TG-MS System Kalibrering af den karakteristiske spektrum Forberede den udviklede gas af H2O CO2, CH4, han, etc. kalibreres, modulerende gastryk på 0,15 MPa. Tilslut gas cylinder til TG-MS system af rustfrit stålrør og rense den enkelte gas ind i TG-MS system med en gennemstrømningshastighed på 100 mL/min. Overvåge den masse spektrum af den enkelte gas. Omhyggeligt se og sammenligne de kar…

Representative Results

Den termiske nedbrydning af CaCO3 er en forholdsvis simpel reaktion, som blev brugt til at påvise anvendeligheden af metoden ECSA. Efter kalibrering karakteristiske peak og relative følsomhed af CO2 til bæregas han, den faktiske massestrømmen af CO2 udviklet af termisk nedbrydning af CaCO3 blev beregnet ved metoden ECSA og blev sammenlignet med den faktiske massetabet (figur 3). Det er vist, at der er en god aft…

Discussion

Denne protokol kan let modificeret til at rumme andre målinger for at studere udviklet gasser og pyrolyse reaktioner ved en TG-MS system. Som vi ved, de udviklede flygtige fra pyrolyse af biomasse, kul, eller andre fast/flydende brændstof ikke altid indeholder kun de uorganiske gasser (fxCO, H₂og CO₂) men også den økologiske dem (f.eks., C₂H₄ , C₆H₅OH og C₇H₈). Derudover massive fragmenter vil følge af de organi…

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