Analyse quantitative par analyse du spectre de masse thermogravimétrie pour les réactions avec gaz évolués
Summary
Détermination précise du débit des gaz évolué est la clé pour étudier les détails des réactions. Nous fournissons une méthode nouvelle analyse quantitative d’analyse de spectre caractéristique équivalent pour l’analyse du spectre de masse thermogravimétrie en instaurant le système de calibration du spectre caractéristique et sensibilité relative, pour l’obtention de la Vitesse d’écoulement.
Abstract
Au cours de la conversion d’énergie, production de matériaux et procédés de la métallurgie, les réactions ont souvent les caractéristiques de l’instabilité, multistep et plusieurs intermédiaires. Spectre de masse thermogravimétrie (TG-MS) est considérée comme un outil puissant pour étudier les caractéristiques de la réaction. Cependant, détails de la réaction et de la réaction mécanique n’est pas effectivement obtenue directement à partir du courant ionique de TG-MS. Ici, nous fournissons une méthode de l’analyse de spectre caractéristique équivalent (ECSA) pour analyser le spectre de masse et en donnant le débit massique des gaz de réaction le plus précis possible. L’ECSA peut effectivement séparer des pics d’ions qui se chevauchent et puis d’éliminer la discrimination massive et l’effet dépend de la température. Deux expériences d’exemple sont présentés : (1) la décomposition de CaCO3 avec des gaz émis de CO2 et de la décomposition de hydromagnésite avec gaz de CO2 et H2O, pour évaluer l’ECSA sur système mono-composant dégagé mesure et (2) la pyrolyse thermique de Zhundong charbon gaz évolués de gaz inorganiques CO et CO2et gaz organiques C2H4, C2H6, C3H8, C6H14 H2 , etc., afin d’évaluer l’ECSA sur mesure système multi-composants. Basé sur le calibrage du spectre caractéristique et de la sensibilité relative des gaz spécifique et l’ECSA sur le spectre de masse, nous démontrons que l’ECSA donne avec précision les débits massiques de chaque gaz évolué, y compris des gaz organiques ou inorganiques, pour des réactions non seulement unique mais plusieurs éléments constitutifs, qui ne peut être appliqué par les mesures traditionnelles.
Introduction
Comprendre en profondeur les caractéristiques réelles d’un processus de réaction est une question cruciale pour le développement des matériaux de pointe et la mise en place d’une nouvelle énergie conversion système ou métallurgie production processus1. Presque toutes les réactions sont effectuées dans des conditions instables, et parce que leurs paramètres, y compris la concentration et le débit des réactifs et des produits, toujours changent avec la température ou la pression, il est difficile de caractériser clairement la fonction de réaction de qu’un seul paramètre, par exemple par le biais de la Loi d’Arrhenius. En fait, la concentration n’implique que la relation entre le composant et le mélange. Comportement de réaction réelle ne pourrait pas affectée, même si la concentration d’un composant dans une réaction complexe est ajustée dans une large mesure, étant donné que les autres composantes pourraient avoir une plus grande influence sur elle. Au contraire, le débit de chaque composant, comme une quantité absolue, peut donner des informations convaincantes pour comprendre les caractéristiques des réactions, celles surtout très compliqués.
À l’heure actuelle, le système de couplage de TG-SM équipé de la technique d’ionisation (EI) électron a servi comme un outil répandu pour analyser les caractéristiques des réactions avec le gaz dégagé2,3,4. Cependant, tout d’abord, il convient de noter que l’ion actuelle (IC) obtenue à partir d’un système de MS rend difficile reflètent directement la débit ou la concentration du gaz évolué. Le massif IC chevauchement, fragment, grave discrimination massive et effet de la diffusion des gaz dans la fournaise d’un thermogravimeter peuvent entraver considérablement l’analyse quantitative pour TG-MS5. Deuxièmement, EI est la plus fréquente et technique d’ionisation fort facilement disponibles. Un système de SM équipé AE facilement se traduit par des fragments et ne reflète pas souvent directement certains gaz organiques avec un plus grand poids moléculaire. Par conséquent, MS systèmes avec différente ionisation douce techniques (p. ex., photoionisation [PI]) doivent simultanément être couplée à une thermobalance et appliqués à évolué gaz analyse6. Troisièmement, l’intensité de l’IC à certains rapports de masse-à-charge (m/z) ne peut servir à déterminer la caractéristique dynamique de n’importe quel gaz de réaction, car il est souvent influencé par l’autre ICs pour une réaction complexe à composants multiples évolué gaz. Par exemple, la baisse de la courbe IC d’un gaz particulier n’indique pas nécessairement une diminution de son débit ou concentration ; au lieu de cela, peut-être elle est affectée par les autres gaz dans le système complex. Ainsi, il est important de prendre en compte ICs des tous les gaz, certainement avec un gaz vecteur et le gaz inerte.
En fait, analyse quantitative basée sur le spectre de masse, beaucoup dépend de la détermination du facteur d’étalonnage et de la sensibilité relative du système TG-MS. Maciejewski et Baiker7 étudiés dans un spectromètre de masse analyseur thermique système (TA-SM), dans lequel la TA est relié par un capillaire chauffé pour un quadripôle MS, l’effet des paramètres expérimentaux, y compris la concentration d’espèces de gaz, température, débit et propriétés du gaz porteur, sur la sensibilité de l’analyse par spectrométrie de masse. Les gaz évolués ont été calibrés par la décomposition de la matières solides via une réaction bien connue, stoechiométrique, injecter une certaine quantité de gaz dans le flux de gaz porteur avec un taux constant. Les résultats expérimentaux montrent qu’il existe une corrélation linéaire négative des em signal intensité de gaz émis à celui du débit du gaz vecteur et le gaz qui se MS intensité n’est pas influencée par la température et la quantité de gaz analysé. En outre, selon la méthode de calibration, Maciejewski et al. 8 a inventé le pouls méthode d’analyse thermique (PTA), qui offre la possibilité de déterminer le débit en surveillant simultanément les modifications de l’enthalpie massique et composition de gaz résulte du cours de la réaction. Toutefois, il est encore difficile de donner des informations convaincantes sur la réaction complexe (p. ex., combustion/gazéification du charbon) en utilisant l’analyse traditionnelle de la TG-MS ou méthodes de PTA.
Afin de surmonter les difficultés et les inconvénients de la mesure traditionnelle et la méthode d’analyse pour le système TG-SM, nous avons mis au point la méthode d’analyse quantitative de l’ECSA9. Le principe fondamental de l’ECSA repose sur le mécanisme de couplage de TG-MS. L’ECSA peut prendre en compte ICs des tous les gaz, y compris les réaction gaz, gaz porteur et des gaz inertes. Après avoir construit le facteur d’étalonnage et de la sensibilité relative de certains gaz, le débit massique ou molaire effective de chaque composant peut être déterminé par le calcul de la matrice de l’IC (c.-à-d., le spectre de masse du TG-MS). Par rapport aux autres méthodes, ECSA pour le système TG-SM peut effectivement séparer le spectre qui se chevauchent et éliminer la discrimination massive et l’effet dépend de la température du TG. Les données produites par l’ECSA sont sont révélées fiables par une comparaison entre le débit massique des gaz émis et les données de la perte de masse par thermogravimétrie différentielle (DTG). Dans cette étude, nous avons utilisé un instrument avancé de TG-DTA-EI/PI-MS10 pour réaliser les expériences (Figure 1). Cet instrument se compose d’un quadripôle cylindrique MS et un analyseur horizontal de thermique de thermogravimétrie-différentiel (TG-DTA) équipé avec le mode de l’IE et de PI et avec une interface de l’écumoire. ECSA pour le système de TG-MS détermine les paramètres de la physique de tous les gaz ont évolué en utilisant le mécanisme de couplage réel TG-MS (c.-à-d., une pression relative égale) à mettre en œuvre l’analyse quantitative. Le processus d’analyse globale inclut une étalonnage, le test proprement dit et analyse de données (Figure 2). Nous présentons deux expériences exemple : (1) la décomposition de CaCO3 avec seulement évolué gaz CO2 et la décomposition de hydromagnésite avec gaz émis de CO2 et H2O, pour évaluer l’ECSA sur un système mono-composant mesure et (2) la pyrolyse thermique de lignite avec gaz évoluées du gaz inorganiques CO, H2et de CO2et gaz organiques CH4, C2H4, C2H6C3H8, C6H14, etc., afin d’évaluer l’ECSA sur une mesure de plusieurs composants système. ECSA basé sur le système de TG-MS est une méthode de solution globale pour déterminer quantitativement la quantité de gaz émis dans les réactions thermiques.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ce protocole peut être facilement modifié pour tenir compte d’autres mesures pour l’étude des gaz évolués et des réactions de pyrolyse par un système de TG-SM. Comme nous le savons, le volatile a évolué de la pyrolyse de la biomasse, charbon, ou d’autres combustibles solides/liquides ne comprend pas toujours seulement les gaz inorganiques (par exemple, CO, H2et CO2) mais aussi l’organique (par exemple, C2H4 , C6H5OH et C<…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs remercient l’appui financier de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (Grant no 51506199).
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 |
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