Yöntem makalesi

Kantitatif analiz Thermogravimetry-kütle spektrum analizi gelişmiş gazları ile tepkiler tarafından

DOI:

10.3791/58233

⸱

29 Ekim 2018

 ,  ,  , 
1School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, 2Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gelişmiş gaz debisi kesin belirlenmesi reaksiyonlar ayrıntılarını incelemek için anahtardır. Biz thermogravimetry-kütle spektrum analizi için eşdeğer karakteristik spektrum analizi bir roman kantitatif analiz yöntemi karakteristik spektrum ve göreli hassasiyet elde etmek için kalibrasyon sistemi kurarak sağlar akış hızı.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Enerji dönüşümü, malzeme üretim ve Metalurji işlemleri sırasında reaksiyonlar genellikle değişkenlik, multistep ve çok ara ürün özellikleri var. Thermogravimetry-kütle spektrumu (TG-MS) tepki özellikleri çalışma için güçlü bir araç görülmektedir. Ancak, reaksiyon ayrıntıları ve reaksiyon mekanik etkili bir şekilde doğrudan TG-MS iyon akımı elde edilmiştir değil. Burada, kitle spektrum analizi ve kitle akış oranı mümkün olduğunca kesin gazların tepki veren bir yöntem bir eşdeğer karakteristik spektrum analizi (ECSA) sağlamak. ECSA etkili bir şekilde üst üste gelen iyon tepeler ayrı ve kitle ayrımcılık ve sıcaklık-bağımlı etkisi ortadan kaldırmak. İki örnek deney sunulmaktadır: CaCO3 (1 ayrıştırma CO2 gelişmiş gaz ve hydromagnesite ile ayrışma ile gelişti gaz CO2 ve H2O, tek bileşenli sistemi ECSA değerlendirmek için İnorganik gazlar CO, H2ve CO2ve organik gazlar C2H4, C2H6, C3H8, C6H14 gelişmiş gazlar ile kömür Zhundong termal pyrolysis ölçüm ve (2) , çok bileşenli sistemi ölçüm üstünde ECSA değerlendirileceği vb. Karakteristik spektrum başarılı kalibrasyonu ve göreli duyarlılığını özel gaz ve kütle spektrumu üzerinde ECSA göre ECSA doğru bir şekilde organik veya inorganik gazlar da dahil olmak üzere gelişmiş her gaz kütle akış oranları verir göstermek, Sadece tek ama çok bileşenli reaksiyonlar için hangi geleneksel ölçümleri tarafından uygulanan olamaz.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Derinlemesine anlama bir tepki sürecinin gerçek özellikleri olduğunu ileri düzey malzemeler geliştirilmesi ve yeni enerji dönüşüm sistemi veya Metalurji üretim süreci1kurulması için bir kritik sorun. Hemen hemen tüm tepkiler kararsız koşullar altında yapılır ve konsantrasyon ve akış hızı Reaktanları ve ürünleri de dahil olmak üzere kendi parametreleri her zaman sıcaklık veya basınç ile değiştirmek çünkü bu açıkça karakterize zordur reaksiyon özelliği yalnızca bir parametre, örneğin aracılığıyla Arrhenius denklemi tarafından. Aslında, konsantrasyonu yalnızca bileşen ve karışım arasındaki ilişkiyi gösterir. Diğer bileşenler daha güçlü bir etkisi olabilir bu yana bir bileşeni'nde bir karmaşık reaksiyon konsantrasyonu büyük ölçüde ayarlanır olsa bile gerçek tepki davranışı, etkilenebileceği değil. Aksine, mutlak bir miktar olarak her bileşen akış hızı tepkiler, özelliklerini anlamak için ikna edici bilgi verebilir özellikle çok karmaşık olanlar.

Reaksiyon gelişti gazlar2,3,4özellikleri analiz etmek için şu anda elektron iyonlaşma (EI) tekniğe sahip TG-MS kaplin sistem yaygın bir araç olarak kullandı. Ancak, ilk olarak, bu bir MS sisteminden elde Ion geçerli (IC) doğrudan akış hızı veya gelişmiş gaz konsantrasyonu yansıtmak zor yapar unutulmamalıdır. Büyük IC örtüşme, parça, şiddetli kitle ayrımcılık ve bir thermogravimeter fırın gazların Difüzyon etkisi büyük ölçüde kantitatif analiz TG-MS5için engel olabilir. İkincisi, EI en yaygın ve hazır güçlü iyonlaşma teknik bu. Kolayca el ile donatılmış bir MS sistemi parçaları sonuçları ve genellikle doğrudan bir daha büyük molekül ağırlığı ile bazı organik gazlar yansıtmaz. Bu nedenle, MS sistemleri teknikleri (Örneğin, photoionization [PI]) aynı anda bir thermobalance için heceleme için gerekli ve uygulanan farklı yumuşak iyonlaşma ile gaz analizi6gelişti. Üçüncü olarak, bazı kitle ücret oranları (m/z), IC yoğunluğunu herhangi bir tepki gaz dinamik karakteristiklerini belirlemek için kullanılamaz, bu kez diğer tarafından etkilenir çünkü ICS için karmaşık bir tepki ile multicomponent gazlar gelişti. Örneğin, belirli bir gaz IC eğrisi içinde belgili tanımlık damla mutlaka onun akış hızı veya toplama bir düşüş olduğunu göstermez; Bunun yerine, belki de bu karmaşık sistemdeki diğer gazlar tarafından etkilenir. Böylece, tüm gazlar ICS, bir taşıyıcı gaz ve inert gaz ile kesinlikle dikkate almak önemlidir.

Aslında, kantitatif analiz kitle spektrumda büyük ölçüde dayalı kalibrasyon faktörü belirlenmesi ve TG-MS sisteminin göreli duyarlılığı bağlıdır. Maciejewski ve Baiker7 (TA-MS) sistemi, TA bir quadrupole MS, deneysel parametrelerini, konsantrasyon gazlar gibi etkisi için ısıtmalı bir kılcal tarafından bağlandığı bir termal analyzer-kütle spektrometre araştırdık, sıcaklık, akış hızı ve taşıyıcı gaza kitle spektrometrik Analizi duyarlılığını özelliklerini. Gelişmiş gazlar katı üzerinden bir iyi bilinen, stokiometrik tepki ve belirli bir miktarda gaz taşıyıcı gaz akışı içine ile sabit bir oranı enjekte ayrışma kalibre. MS negatif bir doğrusal korelasyon olduğunu deneysel sonuçlar göstermek sinyal taşıyıcı gaz debisi olan için gelişmiş gaz ve MS yoğunluğu sıcaklık ve analiz gaz miktarı tarafından akıttıkları gelişmiş gaz yoğunluğunu. Ayrıca, temel alınarak kalibrasyon yöntemi, Maciejewski vd. 8 bir fırsat aynı anda kitle, entalpi değişiklikleri izleyerek akış oranını belirlemek ve kompozisyon gaz sağlayan termal analiz (PTA) yöntemi tepki dersten sonuçlandı darbe icat etti. Ancak, hala geleneksel TG-MS analizi veya okul aile birliği yöntemleri kullanarak karmaşık reaksiyon (Örneğin, kömür yanma/gazlaştırma) hakkında ikna edici bilgi vermek zor.

Zorluklar ve dezavantajları geleneksel ölçme ve analiz yöntemi TG-MS sistem için üstesinden gelmek için ECSA9kantitatif analiz yöntemi geliştirdi. ECSA temel prensibi TG-MS kaplin mekanizması üzerinde temel alır. ECSA reaksiyon gazlar, taşıyıcı gazlar ve inert gazlar da dahil olmak üzere tüm gazlar ICS dikkate. Kalibrasyon faktörü ve benzin göreli duyarlılığını oluşturduktan sonra her bileşenin gerçek kitle ya da azı akış hızı IC matris (Yani, TG-MS kütle spektrumu) hesaplama tarafından belirlenebilir. Diğer yöntemlere göre ECSA TG-MS sistemi için etkili bir şekilde üst üste gelen spektrum ayrı ve kitle ayrımcılık ve TG sıcaklık bağımlı etkisini ortadan kaldırmak. ECSA tarafından üretilen veri kitle akış oranı gelişmiş gaz ve kayıplarının veri tarafından fark thermogravimetry (DTG) arasında bir karşılaştırma yoluyla güvenilir olduğu kanıtlanmıştır. Bu çalışmada, deneyler (Şekil 1) için bir Gelişmiş TG-DTA-EI/PI-Bayan alet10 kullandı. Bu enstrüman, silindirik quadrupole MS ve EI ve PI modu ile kepçe arayüzü ile donatılmış bir yatay thermogravimetry-diferansiyel termal Gravimetre (TG-DTA) oluşur. ECSA TG-MS sistemi için gerçek TG-MS kaplin mekanizması (yani, eşit bir göreli basınç) kantitatif analiz uygulamak için kullanarak tüm gelişmiş gazların fizik parametreleri belirler. Genel analiz süreci kalibrasyon, testin kendisiyle ve veri analizi (Şekil 2) içerir. Biz iki örnek deney mevcut: (1) ile sadece CaCO3 decomposition gelişti gaz CO2 ve hydromagnesite ayrışma ile gelişmiş gaz CO2 ve H2O, bir tek bileşenli sistemde ECSA değerlendirmek için ölçüm ve (2) inorganik gazlar CO, H2ve CO2ve organik gazlar CH4, C2H4, C2H6, C3H8, gelişmiş gazları ile kahverengi kömür pyrolysis termal C6H14, vbbir çok bileşenli sistemi ölçüm üzerinde ECSA değerlendirmek için. ECSA TG-MS sistemini temel alan teminatlarının termal reaksiyonlarda gelişmiş gaz miktarını belirleme için kapsamlı çözüm yöntemidir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. ECSA TG-MS sistemi için kalibrasyonu

  1. Karakteristik spektrum kalibrasyonu
    1. Gelişmiş gazlar CO2, H2O, CH4, hazırlamak o, vb ayarlanması için gaz basıncı 0.15 MPa, modülasyonlu.
    2. Gaz silindir paslanmaz çelik tüp tarafından TG-MS sisteme bağlayın ve bir akış hızı 100 mL/dk ile TG-MS sisteme bireysel gaz temizleme.
    3. Bireysel gaz kütle spektrumu izlemek. Dikkatle izlemek ve ayarlanması için gaz ve olası kirlilik gazlar türler onaylamak için TG-MS tarafından kütle spektrumunda karakteristik tepe ve saflık gazların karşılaştırın.
      Not: Yukarıda belirtilen gazları doğrudan gaz silindir satın aldı ve (o dışında) test bazı örneklerinden çürümüş. Taşıyıcı gaz kalibrasyon ve testi olarak kullanılır.
      Dikkat: TG veya MS için zararlı bazı maddeler için taşıyıcı gaz kullanılması gerekir.
  2. Kalibrasyon göreceli hassasiyeti
    1. Başvuru gaz tasfiye o ile bir akış hızı 300 mL/dk TG-MS sisteme temiz belgili tanımlık sistem için 20 dakika için.
    2. Kalibre edilmiş gaz zaman uyumlu olarak bir tür tasfiye, CO2 veya H2gibi O ve referans gaz o içine belgili tanımlık TG-MS sistem ile bir akış hızı 100 mL/dak.
    3. Her gaz bilinen akış hızı ve kütle spektrumu (denklem 1) göre göreli duyarlılığını hesaplayın.
      figure-protocol-1
      Burada,
      figure-protocol-2göreli başvuru gaza k gaz duyarlılığını =
      figure-protocol-3başvuru gaz belirli akış hızı =
      figure-protocol-4k gaz belirli akış hızı =
      figure-protocol-5MS, k gazdan için Şu anki kararlı iyon = ve
      figure-protocol-6başvuru gaz için geçerli kararlı iyon =.
      Not: Hacimsel debi kalibre edilmiş ve başvuru gaz önceden bilinmesi gereklidir.

2. ECSA süreci için TG-MS sistemini test

  1. Test için kullanılan örnekleri hazırlanması
    1. CaCO3 ve hydromagnesite örnekleri hazırlanması
      1. CaCO3 10-g örnekleri 15 µm bir ortalama çapı ile toplamak.
      2. Hydromagnesite beyaz bir blok 10 g toplamak, < 3 mm boyutunda parçalara ayrılın ve parçaları ile yaklaşık 10 µm makine karıştırılır fabrikaya eziyet.
      3. Tüm örnekleri için fırın 105 ° c sıcaklıkta 24 h Kuru
        Not: Yukarıdaki adımları paralel olarak uygulanabilir.
    2. Zhundong kömür örnekleri hazırlanması
      1. Zhundong kömür 20 g Mori Kazak Özerk İlçesi, Çin'deki Sincan eyaletinde bulunan kömür yatağı bölgesi toplamak.
      2. Herhangi bir dış nem ortadan kaldırmak için kömür 24 h için 105 ° C ısıda fırında kuru.
      3. Break ve kömür bir değirmen bir parçacık boyutu aralığı 180-355 m elde etmek için yer.
  2. Test termal tepkiler
    1. Taşıyıcı gaz TG-MS sistemiyle tasfiye o hava ve nem çıkarmak 2 h için. Bu arada, araç ile yaklaşık 500 ° C onceden ve sonra aşağı oda sıcaklığına kadar cool.
      Not: O gaz taşıyıcı gaz tüm testler için kullanıldı.
    2. Atmosfer MS ilk 20 dk içinde kullanarak, dikkatle izliyor ve karşılaştırma karakteristik en yüksek CO2, o ve O2, N2ve H2O kütle spektrumunda kirlilik gazlar tarafından en düşük güvence altına almak için izlemek Hava ve nem, içeriği deneysel ölçümler etkileyen değil.
    3. Hassas elektronik denge kullanarak bir örnek 10 mg tartmak ve örnek bir Al2O3 pota koymak.
    4. Al2O3 pota örnekle TG koyun ve ocağı kapatın.
    5. İşletim parametrelerini ayarlayın. (1 CaCO3 testi) 20 ° C ve ısı 550 ° c sıcaklıkta bir 10 K/dk Isıtma oranla başlatmak; sonra modülasyonlu sıcaklık programı ile 800 ° C arasında değişen 10 K/dak ve 20 K/dk. (2) ısıtma oranları ile hydromagnesite ve kömür test için ısı, 20 ° C sıcaklıkta başlayın ve Isıtma hızı 10 K/dk, 15 dk bir tutun zaman kullanın , bir durdurma sıcaklık 1000 ° C ve bir gaz debi 20 mL/dak; 2-200 modu EI için ve 10-410 modu PI m/z çeşitte tutun.
      Not: Modu PI, esas olarak Zhundong kömür pyrolysis Bu çalışmada test için kullanılan organik gazlar tanımlamak için kullanıldı.

3. nitel ve nicel analiz

  1. TG-MS aletle bağlı bilgisayar tarafından kaydedilen 3-b kütle spektrumu verileri alın.
  2. Kitle akış oranı ve gelişmiş her gaz konsantrasyonu kararlı kalibre edilmiş karakteristik tepe (adım 2.1) ve göreceli duyarlılık (adım 2.2) göre ECSA yöntemini kullanarak dahil olmak üzere gerçek parametreleri hesaplayın.
  3. Termal tepki gerçek parametreleri9göre analiz.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

CaCO3 termal ayrışma ECSA Yöntem uygulanabilirliği göstermek için kullanılan nispeten basit bir tepkidir. Karakteristik tepe ve CO2 taşıyıcı gaz olarak göreli duyarlılığını ayarlama sonra o gerçek kitle akış oranı CaCO3 termal ayrıştırma tarafından gelişti CO2 ECSA yöntemi ile hesaplanmıştır ve ile karşılaştırıldığında gerçek kitle kaybı (Şekil 3). CO2 ECSA ve kayıplarının veri DTG tarafından tarafından t...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu iletişim kuralı kolayca gelişmiş gazlar ve pyrolysis reaksiyonlar çalışmak için diğer ölçümler karşılamak için TG-MS sistem tarafından değiştirilmiş olabilir. Biliyoruz, biyokütle, kömür, pyrolysis üzerinden gelişmiş geçici veya diğer katı/sıvı yakıt her zaman sadece inorganik gazlar dahil değildir (Örneğin, CO, H2ve CO2) ama aynı zamanda organik olanlar (Örneğin, C2H4 , C6H5OH ve C7H8). Ayrıca, büyük parçaları or...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar ifşa gerek yok.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar Ulusal Doğal Bilim Vakfı, Çin'den (Grant No. 51506199) finansal destek minnetle kabul etmiş oluyorsunuz.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
CaCO3 ve Ca(OH)2Sinopharm Kimyasal Reaktifi
hidromanyezitBangko, Tibet'teki
Sincan eyaleti, Junggar havzası, Mori Kazak Özerk İlçesi'ndeki kömür sahasıZhundong kömürü
ThermoMass Photo/HRigaku Corporation
STA449F3 senkron termal analizör ve QMS403C dört kutuplu MS analizörüNETZSCH
Coarea Çin'in

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Li, R. B., Xia, H. D., Wei, K. 15th International Conference on Clean Energy (ICCE-2017). , Xi'an, China. (2017).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. JaenickeRossler, K., Leitner, G. TA-MS for high temperature materials. Thermochimica Acta. (1-2), 133-145 (1997).
  6. 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).
  7. Maciejewski, M., Baiker, A. Quantitative calibration of mass spectrometric signals measured in coupled TA-MS system. Thermochimica Acta. 295 (1-2), 95-105 (1997).
  8. 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).
  9. Xia, H. D., Wei, K. Equivalent characteristic spectrum analysis in TG-MS system. Thermochimica Acta. 602, 15-21 (2015).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

E de er Karakteristik Spektrum AnaliziGaz Kalibrasyon Prosed rK tlesel Ak H z l mA a kan Gaz AnaliziTermal Bozunma al malarok Bile enli Gaz TespitiG reli Duyarl l k KalibrasyonuKarakteristik Pik Tan mlamaZhundong K m r Pirolizi

İlgili makaleler