Name: 热重分析-质谱分析对演化气体反应的定量分析 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-10-29T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 51 s
Description: 学习热重分析-质谱联用技术对反应逸出气体进行定量分析的方法。该技术可精确测定气体质量流量，为能源、化学和冶金领域的反应动力学研究提供可靠数据支持。

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作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号：51506199）提供的经费支持。

1. TG-MS 系统 ECSA 的校准
<ol>
	<li>特征光谱的校准
	<ol>
		<li>制备 CO 的逸出气体2，H2O, CH4，He， 等等。 调节气体压力至0.15 MPa进行校准。</li>
		<li>使用不锈钢管将气体钢瓶连接至TG-MS系统，并以100 mL/min的流速将单一气体通入TG-MS系统进行吹扫。</li>
		<li>监测单一气体的质谱。通过热重-质谱联用（TG-MS）仔细观察并比较待校准气体的特征峰与可能杂质气体的峰，以确认气体的种类和纯度。 
		注意：上述气体可直接从气瓶购买，或从某些测试样品中分解获得（He除外）。He在标定和测试中均用作载气。 
		警告：对于某些对TG或MS有害的物质，必须使用载气。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>相对灵敏度的校准
	<ol>
		<li>以300 mL/min的流速向热重-质谱（TG-MS）系统通入参考气体He，持续20分钟，以清洗系统。</li>
		<li>同步吹扫一种标定气体，例如 CO2 或 H2O₂ 和参比气体 He 以 100 mL/min 的流速通入 TG-MS 系统。</li>
		<li>根据已知的流速和质谱图计算每种气体的相对灵敏度（公式1）。 
		<img alt="化学反应平衡方程，以 αr,k 公式表示，用于科研与教学。" src="/files/ftp_upload/58233/58233eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 1"> 
		此处， 
		<img alt="α符号公式，用于数学分析的示意图，教学参考。" src="/files/ftp_upload/58233/58233eq2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 2"> = 相对灵敏度的 k 气体与参比气体 
		<img alt="传热分析，方程 \(\dot{q}_r\)，热力学图，系统效率计算" src="/files/ftp_upload/58233/58233eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 3"> = 参考气体的给定流速 
		<img alt="拉格朗日动力学，点符号，广义速度推导，物理方程" src="/files/ftp_upload/58233/58233eq4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 4"> = 给定流速的 k 气体 
		<img alt="静力平衡方程，\( l^+_k \)，教学用公式，平衡分析方法。" src="/files/ftp_upload/58233/58233eq5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 5"> = 所测定的离子电流为 k 通过质谱法检测气体，以及 
		<img alt="静力平衡示意图：ΣFx=0 和 ΣFy=0 方程。用于分析结构平衡的受力情况。" src="/files/ftp_upload/58233/58233eq6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 6"> 参考气体测得的离子流强度。 
		注意：必须预先知晓校准气体和参考气体的体积流量。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. TG-MS 系统中 ECSA 的测试流程
<ol>
	<li>用于测试的样品制备
	<ol>
		<li>CaCO₃样品的制备3 和水菱镁矿
		<ol>
			<li>采集10 g的CaCO₃样品3 平均直径为 15 µm.</li>
			<li>收集10 g水菱镁矿白色块体，将其破碎成小块 &lt; 3 mm 大小，并使用机械搅拌磨将组织块研磨至约 10 µm.</li>
			<li>在烘箱中于指定温度下将所有样品干燥24小时 105 °C. 
			注意：上述步骤可并行实施。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>准东煤样的制备
		<ol>
			<li>从中国新疆维吾尔自治区木垒哈萨克自治县准东煤田采集20 g准东煤。</li>
			<li>为去除任何外部水分，将煤样置于烘箱中，在以下温度下干燥： 105 °C 24 小时。</li>
			<li>在研磨机中将煤破碎并研磨，以获得180 - 355 m的粒径范围。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>热反应测试
	<ol>
		<li>用载气 He 对 TG-MS 系统吹扫 2 h，以排出空气和水分。同时，将仪器预热至约 500 °C 然后，将其冷却至室温。 
		注意：所有测试均使用 He 气作为载气。</li>
		<li>在前20分钟内使用质谱法（MS）监测气氛，仔细观察并比较CO的特征峰2，He，以及O的杂质气体2，N2，和 H2O 在质谱中的信号，以确保空气和水分含量最低，不影响实验测量结果。</li>
		<li>使用精密电子天平称取10 mg样品，并将样品放入铝坩埚中2O3 坩埚</li>
		<li>将 Al 放入2O3 将装有样品的坩埚放入热重分析仪（TG）中，并关闭炉膛。</li>
		<li>设定操作参数。（1）对于 CaCO₃ 沉积实验：将温度设置为 25°C，pH 值控制在 8.2，搅拌速率为 200 rpm，并通入含 5% CO₂ 的混合气体以维持碳酸平衡。3 测试，从起始温度开始 20 °C 并加热至 550 °C 以10 K/min的升温速率；然后，在调制温度程序中，加热至 800 °C 以10 K/min和20 K/min的交替加热速率进行。(2) 对于水菱镁矿与煤的测试，从以下温度开始 20 °C 并采用10 K/min的升温速率、15 min的保温时间、终止温度为 1,000 °C，气流流速为20 mL/min；EI模式下m/z范围保持在2-200，PI模式下为10-410。 
		注意：本研究中采用模式PI来鉴定有机气体，主要用于准东煤热解的测试。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 定性与定量分析
<ol>
	<li>获取与TG-MS仪器连接的计算机记录的三维质谱数据。</li>
	<li>基于已确定的校准特征峰（步骤2.1）和相对灵敏度（步骤2.2），采用ECSA方法计算实际参数，包括每种逸出气体的质量流速和浓度。</li>
	<li>根据实际参数分析热反应过程9。</li>
</ol>

<ol><li>Li, R. B., Xia, H. D., Wei, K. <a target="_blank" href="http://mfpe.xjtu.edu.cn/info/1079/5973.htm">15th International Conference on Clean Energy (ICCE-2017)</a>. , Xi'an, China. (2017).</li>
<li>Zou, C., Ma, C., Zhao, J., Shi, R., Li, X. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0165237017300347">Characterization and non-isothermal kinetics of Shenmu bituminous coal devolatilization by TG-MS.</a> Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 127, 309-320 (2017).</li>
<li>Jayaraman, K., Kok, M. V., Gokalp, I. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960148116307820">Thermogravimetric and mass spectrometric (TG-MS) analysis and kinetics of coal-biomass blends.</a> Renewable Energy. 101, 293-300 (2017).</li>
<li>Tsugoshi, T., et al. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s10973-005-0730-6">Evolved gas analysis-mass spectrometry using skimmer interface and ion attachment mass spectrometry.</a> Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 80 (3), 787-789 (2005).</li>
<li>JaenickeRossler, K., Leitner, G. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0040603197001032">TA-MS for high temperature materials.</a> Thermochimica Acta. (1-2), 133-145 (1997).</li>
<li>Fendt, A., Geissler, R., Streibel, T., Sklorz, M., Zimmermann, R. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0040603112004832">Hyphenation of two simultaneously employed soft photo ionization mass spectrometers with thermal analysis of biomass and biochar.</a> Thermochimica Acta. , 155-163 (2013).</li>
<li>Maciejewski, M., Baiker, A. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0040603197001007">Quantitative calibration of mass spectrometric signals measured in coupled TA-MS system.</a> Thermochimica Acta. 295 (1-2), 95-105 (1997).</li>
<li>Maciejewski, M., Muller, C. A., Tschan, R., Emmerich, W. D., Baiker, A. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0040603197001056">Novel pulse thermal analysis method and its potential for investigating gas-solid reactions.</a> Thermochimica Acta. 295 (1-2), 167-182 (1997).</li>
<li>Xia, H. D., Wei, K. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0040603114005723">Equivalent characteristic spectrum analysis in TG-MS system.</a> Thermochimica Acta. 602, 15-21 (2015).</li>
<li>Li, R. B., Chen, Q., Xia, H. D. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378382017310627">Study on pyrolysis characteristics of pretreated high-sodium (Na) Zhundong coal by skimmer-type interfaced TG-DTA-EI/PI-MS system.</a> Fuel Processing Technology. 170, 79-87 (2018).</li>
<li>Li, C. Z. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016236107000361">Some recent advances in the understanding of the pyrolysis and gasification behaviour of Victorian brown coal.</a> Fuel. 86 (12-13), 1664-1683 (2007).</li>
<li>Song, H. J., Liu, G. R., Zhang, J. Z., Wu, J. H. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378382016306841">Pyrolysis characteristics and kinetics of low rank coals by TG-FTIR method.</a> Fuel Processing Technology. 156, 454-460 (2017).</li>
<li>Kashimura, N., Hayashi, J., Li, C. Z., Sathe, C., Chiba, T. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016236103002436">Evidence of poly-condensed aromatic rings in a Victorian brown coal.</a> Fuel. 83 (1), 97-107 (2004).</li>
<li>Li, C. Z., Sathe, C., Kershaw, J. R., Pang, Y. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016236199001787">Fates and roles of alkali and alkaline earth metals during the pyrolysis of a Victorian brown coal.</a> Fuel. 79 (3-4), 427-438 (2000).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

该方案可轻松修改，以适应其他测量需求，用于研究通过TG-MS系统分析生物质、煤或其他固体/液体燃料热解过程中释放的气体及热解反应。众所周知，这些燃料热解产生的挥发物并不总是仅包含无机气体（例如, 一氧化碳, 氢气2，和 CO2但还包括有机物（例如，C2H4，C6H5羟基和碳7H8此外，有机气体会产生大量碎片，并在热解过程中发生副反应。11尽管存在多种传统测量方法，如常规的热重-质谱（TG-MS）联用系统、傅里叶变换红外光谱（FTIR）法12，高效液相色谱（HPLC）13，以及紫外-可见吸收光谱和荧光光谱14，已被用于表征挥发性气体和焦油，但仍存在一些有待解决的问题，包括减少二次反应、缓解挥发性气体在检测过程中的再冷凝，以及降低过度碎裂现象。...

深入理解反应过程的真实特征，是开发先进材料以及建立新型能量转换系统或冶金生产工艺的关键问题之一1。几乎所有反应都是在非稳态条件下进行的，由于反应物和产物的浓度、流速等参数始终随温度或压力而变化，因此仅通过一个参数（例如阿伦尼乌斯方程）难以清晰表征反应特征。事实上，浓度仅表示组分与混合物之间的关系。即使在某一复杂反应中大幅调整某一组分的浓度，实际反应行为可能并未受到影响，因为其他组分可能对该反应具有更强的影响力。相反，各组分的流速作为绝对量，能够提供更具说服力的信息，有助于理解反应特性，尤其是非常复杂的反应。
目前，配备电子轰击电离（EI）技术的热重-质谱联用系统已被广泛用作分析伴有气体产物生成的反应特征的工具2,3,4然而，首先需要指出的是，质谱系统获得的离子流强度（IC）难以直接反映逸出气体的流速或浓度。热重分析仪炉膛内气体的大量离子流重叠、碎片化、严重的质量歧视效应以及扩散效应，会极大地阻碍对TG-MS的定量分析。5其次，电子轰击电离（EI）是最常见且易于获得的强电离技术。配备EI的质谱系统容易产生碎片，通常不能直接反映分子量较大的某些有机气体。因此，采用不同软电离技术的质谱系统（例如，光电离[PI]）需同时与热重分析仪联用，并应用于逸出气体分析6第三，对于包含多种逸出气体的复杂反应，某些质荷比（m/z）下的离子流强度（IC）不能用于确定任何反应气体的动态特性，因为它常常受到其他离子流信号的干扰。例如，特定气体的离子流强度曲线下降，并不一定意味着其流速或浓度降低；相反，这可能是受到复杂体系中其他气体影响的结果。因此，必须综合考虑所有气体的离子流强度，当然也包括载气和惰性气体。
事实上，基于质谱的定量分析在很大程度上依赖于TG-MS系统校准因子和相对灵敏度的确定。Maciejewski和Baiker7 在热分析-质谱联用系统（TA-MS）中研究了实验参数对质谱分析灵敏度的影响，该系统通过加热毛细管将热分析仪（TA）与四极杆质谱仪（MS）相连。所考察的参数包括气体组分浓度、温度、流速以及载气性质。通过固体物质的分解反应对释放出的气体进行校准。 通过 一个已知的化学计量反应，并以恒定速率将一定量的气体注入载气流中。实验结果表明，逸出气体的质谱信号强度与载气流速呈负线性相关，而逸出气体的质谱信号强度不受温度和分析气体量的影响。此外，基于该标定方法，Maciejewski 等8 发明了脉冲热分析（PTA）方法，该方法通过同时监测反应过程中质量、焓变及气体组成的变化，为测定反应流速提供了可能。然而，对于复杂反应，仍难以提供具有说服力的信息例如，采用传统的热重-质谱联用（TG-MS）分析或程序升温吸附（PTA）方法对煤炭燃烧/气化过程进行研究。
为了克服传统TG-MS系统测量与分析方法的困难与不足，我们开发了ECSA的定量分析方法9ECSA 的基本原理基于 TG-MS 耦合机制。ECSA 能够考虑所有气体的离子流强度（IC），包括反应气体、载气和惰性气体。在建立某些气体的校正因子和相对灵敏度后，可通过离子流强度矩阵的计算，确定各组分的实际质量或摩尔流量即， TG-MS的质谱）。与其他方法相比，TG-MS系统的ECSA能够有效分离重叠的质谱信号，并消除热重分析（TG）中的质量歧视效应及温度依赖性影响。通过将逸出气体的质量流速与微分热重分析（DTG）所得的质量损失数据进行比较，已证实ECSA所产生的数据具有可靠性。本研究采用了一台先进的TG-DTA-EI/PI-MS仪器10 进行实验（图1）。该仪器由一个圆柱形四极杆质谱仪和一台配备电子电离（EI）与光致电离（PI）模式、并带有分流式接口的水平热重-差热分析仪（TG-DTA）组成。TG-MS系统的ECSA通过利用实际的TG-MS耦合机制，确定所有逸出气体的物理参数即，一个相等的相对压力）以进行定量分析。整个分析过程包括校准、测试本身以及数据分析（图2）。我们展示了两个示例实验：（1）CaCO₃的分解3 仅产生 CO 气体2 以及水菱镁矿分解产生的CO气体2 和 H2O，用于评估单组分体系的电化学活性表面积（ECSA）的测量，以及（2）褐煤的热解过程中释放的无机气体CO、H2，和 CO2，以及有机气体 CH4，C2H4，C2H6，C3H8，C6H14, 等等。，用于评估多组分体系中的电化学活性表面积（ECSA）。基于热重-质谱（TG-MS）系统的ECSA是一种定量测定热反应中释放气体量的综合解决方案方法。

<table><tbody><tr><td>CaCO&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt; 和 Ca(OH)&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;</td><td>国药集团化学试剂有限公司</td><td></td><td></td></tr><tr><td>水菱镁矿</td><td>西藏班戈可可西里地区</td><td></td><td></td></tr><tr><td>准东煤</td><td>中国新疆维吾尔自治区准噶尔盆地木垒哈萨克自治县的煤矿</td><td></td><td></td></tr><tr><td>ThermoMass Photo/H</td><td>理学公司</td><td></td><td></td></tr><tr><td>STA449F3 同步热分析仪和 QMS403C 四极杆质谱分析仪</td><td>耐驰公司</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

通过热重-质谱联用分析对生成气体的反应进行定量分析

Quantitative Analysis by Thermogravimetry-Mass Spectrum Analysis for Reactions with Evolved Gases

在能量转换、材料生产和冶金过程中，反应通常具有非稳态、多步骤和多中间产物的特征。热重-质谱联用技术（TG-MS）被视为研究反应特征的有力工具。然而，反应的详细信息和反应机理尚无法直接从TG-MS的离子流信号中有效获取。本文提供了一种等效特征谱分析方法（ECSA），用于分析质谱数据，并尽可能精确地给出反应气体的质量流速。ECSA能够有效分离重叠的离子峰，并消除质量歧视效应及温度依赖性影响。文中展示了两个示例实验：（1）CaCO₃的分解过程；（2）铁矿石还原过程中多步气态产物的演化分析。该方法为复杂反应路径的原位解析提供了新的技术路径。

等效特征谱分析，热重-质谱联用，反应动力学，质量流速，离子峰分离，质量歧视效应，温度依赖性，CaCO₃分解，铁矿石还原3 伴有 CO 气体释放2 以及水菱镁矿分解时释放的 CO 气体2 和 H2O，用于评估单组分体系测量中的电化学活性表面积（ECSA）以及准东煤在热解过程中无机气体CO、H的生成气体产物的热解行为2，和 CO2和有机气体 C2H4，C2H6，C3H8，C6H14, 等等。，以评估多组分体系中的电化学活性表面积（ECSA）。基于对特征光谱、特定气体的相对灵敏度以及质谱中ECSA的成功校准，我们证明ECSA能够准确提供每种析出气体（包括有机和无机气体）的质量流速，不仅适用于单组分反应，也适用于多组分反应，而这是传统测量方法无法实现的。

CaCO₃的热分解3 是一种相对简单的反应，用于验证ECSA方法的适用性。在标定CO的特征峰和相对灵敏度后2 至载气 He，CO 的实际质量流量2 由CaCO₃热分解产生的3 通过 ECSA 方法计算，并与实际质量损失进行比较（图3). 结果表明，CO的质量流量与2 通过ECSA计算以及DTG在整个测量过程中获得的质量损失数据。如蓝线和黄线所示，逸出气体质量流量相对于DTG的相对误差显著更低。 图4此外，通过ECSA分析了水菱镁矿的热分解过程以及CO的校准数据2 和 H2O (图4载气流速选择为100 mL/min，升温速率设定为5、10、15和20 K/min。计算结果与实验测得的热重/微分热重（TG/DTG）数据吻合良好。
<p c...

准确测定反应过程中释放气体的流速对于研究反应细节至关重要。我们提供了一种新的热重-质谱分析定量分析方法——等效特征谱分析法，通过建立特征谱和相对灵敏度的校准系统，实现对气体流速的精确测定。

在能量转换、材料生产和冶金过程中，反应通常具有非稳态、多步骤等特征……

该方法有助于解答能源、化学和冶金领域中关于如何确定反应动力学参数及释放气体成分的关键问题。我认为，该技术的一个优势在于能够对反应过程中释放的各单一气体的质量流进行定性和精确定量分析。通过该方法，可深入了解能源、化学、冶金体系等中的反应过程。该方法还可应用于食品、制药或材料等其他体系。为校准特征谱图，需准备待校准的气体产物，并将气体压力调节至0.15兆帕。使用不锈钢管将各气体钢瓶连接至热重-质谱联用系统（TG-MS系统），并以100毫升/分钟的流速将所有气体产物通入TG-MS系统中进行吹扫。监测每种单一气体的质谱，仔细观察并比较待校准气体的特征峰以及气体中可能存在的杂质峰。为校准气体的相对灵敏度，先以300毫升/分钟的流速将参比气体通入TG-MS系统20分钟，以清洗系统。随后，以100毫升/分钟的流速，将各待校准气体与参比气体同步通入TG-MS系统进行吹扫。然后根据已知的流速和质谱图，按照方程所示计算每种气体的相对灵敏度。样品制备时，取10克平均直径为15微米的碳酸钙，或10克白色块状水菱镁矿，或20克准东煤。将水菱镁矿块破碎至小于3毫米的颗粒，并使用机械搅拌磨将其研磨至约10微米。然后将所有样品在105摄氏度的烘箱中干燥24小时，次日在研磨机中将煤样破碎并研磨，以获得180至355微米的粒径范围。为测试样品的热反应，使用氦气作为载气对TG-MS系统吹扫两小时，以排除空气和水分，并将仪器加热至约500摄氏度。当系统冷却回室温后，利用质谱监测气氛20分钟，仔细观察并比较二氧化碳和氦气的特征峰，以及氧气、氮气和水蒸气的杂质峰。使用精密电子天平称取10毫克待测样品，并将称量好的样品加入氧化铝坩埚中。将装有样品的坩埚放入热重分析系统中并关闭炉体。然后为待测样品设置适当的运行参数。因此，校准过程中使用的参考气体必须与样品测试过程中的气体相同，且绝不能与产生的气体发生反应。我们建议在校准和测试中均使用氦气作为载气。对于样品数据的定性与定量分析，将三维质谱数据加载到连接TG-MS系统的计算机上，并采用等效特征谱分析法（ECSA）根据先前确定的校准特征峰及样品的相对灵敏度来计算实际样品参数。随后可根据实际样品参数分析热反应。在对二氧化碳相对于载气氦气的特征峰和相对灵敏度进行校准后，可通过ECSA方法计算碳酸钙热分解产生的二氧化碳的实际质量流量，并与实际质量损失进行比较。在此代表性分析中，整个测量过程中，二氧化碳的质量流量与数字热重分析所得的质量损失数据具有良好的一致性。通过ECSA对水菱镁矿的热分解过程进行比较，并对二氧化碳和水进行校准，结果表明这些数据与实验所得的数字热重分析数据也具有良好的一致性。结合电子轰击电离和光致电离两种测量模式，对准东煤的典型热解过程进行分析，检测到16种不同的挥发性气体。在详细测定每种已识别气体相对于载气的质谱图和灵敏度后，计算出各气体的质量流量

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