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동결 펌프 해동 사이클링으로 액체 를 탈기
 
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동결 펌프 해동 사이클링으로 액체 를 탈기

Overview

출처: 닐 브란다 박사 연구소 — 사이먼 프레이저 대학교

탈가싱은 용해된 가스가 액체에서 제거되는 과정을 말합니다. 산소 나 이산화탄소와 같은 용존 가스의 존재는 민감한 시약을 활용하거나 분광 측정을 방해하거나 원치 않는 거품 형성을 유도 할 수있는 화학 반응을 방해 할 수 있습니다.

액체를 탈기하는 데는 여러 가지 다른 기술이 사용됩니다. 이들 중 일부는 가열, 초음파 동요, 가스의 화학 적 제거, 버블링 및 동결 펌프 해동 사이클링에 의해 불활성 가스로 대체 를 포함한다. 동결 펌프 해동 사이클링은 소규모 탈가싱을 위한 일반적이고 효과적인 방법이며, 여기에서 보다 자세하게 시연될 것입니다.

Principles

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동결 펌프 해동 탈기는 높은 진공 /불활성 가스 이중 매니폴드를 사용하여 감소 된 압력하에서 수행됩니다. 이 공정은 처음에 액체 질소 또는 드라이 아이스/이소프로판올 슬러리를 사용하여 용매를 동결하는 것을 포함합니다. 그런 다음 진공이 적용되고 냉동 용매 위의 헤드 스페이스가 대피합니다. 플라스크는 밀봉된 다음 용매가 해동되어 용존기 종의 방출을 허용합니다. 동결 펌프 해동 공정은 일반적으로 용존 가스의 비율을 줄이기 위해 적어도 두 개의 추가 사이클에 대해 반복됩니다. 1,2

이 방법은 액체에서 가스 용해도의 압력 의존성을 활용합니다. 헨리의 법칙(방정식 1)과이의 를 상하게 하여, 액체에 용해된 가스(Caq)의농도는 일정한 온도, 부피 및 압력하에서 액체 위의 증기 상에서 가스(Pgas)의부분 압력에 직접 비례(k)이다. 3

Caq = kP가스 (방정식 1) 

액체 위의 가스의 압력을 낮추면 액체내의 용존 가스의 용해도가 감소합니다. 따라서 액체 가스 상 평형을 재확립하기 위해 용존 가스는 액체에서 기포로 방출된다.

다음 절차에서 동결 펌프 해동 사이클링 기술은 액체 질소와 따뜻한 수돗물을 외부 냉각 및 온난화 목욕으로 사용하여 벤젠으로 시연될 것입니다. 이 기술을 수행하는 데 필요한 실험 용 설정은 연결된 진공 및 질소 소스가있는 이중 매니폴드 슐렌크 라인으로 구성됩니다. 슐렌크 라인은 슐렌크 플라스크와 같은 적절한 유리 제품에 연결하기 위해 진공 호환 튜브라인(도 1)을갖추고 있습니다. 1,2

Figure 1
그림 1. 진공 및 질소 소스를 갖춘 슐렌크 라인의 사진.

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Procedure

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  1. 먼저, 원하는 용매 또는 용액을 슐렌크 플라스크에 넣고 스톱콕(도2a)을닫습니다. 슐렌크 플라스크의 다른 모든 구멍을 봉인합니다. 주의: 플라스크 의 부피의 50% 이상을 사용하지 말고 플라스크에서 균열이나 골절을 검사하지 마십시오.  과부하 또는 파손된 플라스크는 이 과정에서 산산조각날 수 있습니다.
  2. 플라스크를 슐렌크 라인에 부착하고 슐렌크 라인의 해당 밸브를 닫아 두십시오. 플라스크를 액체 질소 또는 드라이 아이스 슬러리를 함유한 드와르에 잠급니다. (그림2b). 주의: 동결하기 전에 슐렌크 플라스크를 질소 가스로 플러시하여 환경이 산소가 완전히 없는지 확인합니다.
  3. 용매가 고정되면 슐렌크 플라스크의 스톱콕과 슐렌크 라인의 밸브를진공(그림 2c)으로엽니다. 플라스크를 진공 상태와 냉각 욕조 내부에 약 10분 동안 보관하십시오.  스톱콕(그림2d)을닫아 플라스크를 밀봉합니다.
  4. 용매가 따뜻한 수조를 사용하여 녹을 때까지 해동합니다. 이 절차 동안 가스 기포는 용매(그림 2e, 2f)에서눈에 띄게 진화한다. 냉동 용매가 자체적으로 천천히 해동되도록 하고 액체를 방해하지 마십시오.
  5. 용매가 해동되면 따뜻한 수조를 냉각 욕조로 교체하고 용매를 재고정하십시오.
  6. 3-5단계를 반복하면 더 이상 가스의 진화를 용액해로 볼 수 없을때까지(도 2g). 용해 가스의 비율을 최소화하기 위해 최소 3 사이클을 권장합니다.
  7. 3주기의 완료 후, 슐렌크 플라스크는 사용하기 전에 질소하에서 밀봉되어야한다(도 2h). 슐렌크 라인의 질소 가스 밸브를 열고 플라스크의 스톱콕을 열어 용매를 질소 대기에 노출시니다. 슐렌크 플라스크가 질소로 채워지면 마침내 밸브를 플라스크로 닫습니다.
  8. 용매가 탈퇴되어 사용할 준비가 되었습니다.

Figure 2
그림 2. 무료 펌프 해동 단계의 세부 사진: (a) 단계 1, 플라스크에 용매를 배치; (b) 2단계, 용매를 드라이 아이스(또는 액체 질소로 동결) (c) 3단계, 진공을 도입; (d) 4단계, 진공 상태에서 플라스크를 밀봉; (e), (f), 단계 5, 용매를 해동하고 가스 기포의 진화를 관찰; (g) 7단계 반복 동결 해동 공정(3주기 권장); (h) 8 단계, 질소 하에서 용매를 밀봉한다.

액체의 탈기는 유기 화학에 있는 많은 화학 합성 기술에 필수적입니다. 탈가싱은 용해된 가스가 액체에서 제거되는 과정을 말합니다. 탈기는 화학 종이 산소와의 원치 않는 반응에 취약할 경우 중요합니다. 동결 펌프 해동 사이클링은 액체의 작은 스케일 탈가스에 사용되는 일반적인 방법입니다. 이 기술은 슐렌크 라인 또는 진공/불활성 가스 이중 매니폴드를 사용하여 압력 감소하에서 수행됩니다. 이 비디오는 실험실에서 동결 펌프 해동 탈가스를 수행하는 원리를 설명합니다.

동결 펌프 해동 탈기는 액체에서 가스용해도의 압력 의존성을 활용합니다. 이것이 소다 거품이 열리면 헨리의 법칙을 나타내는 이유입니다. 헨리의 법칙에 따르면 액체에 용해된 가스의 두더지 분수는 액체 위의 증기 상에서 가스의 부분 압력에 직접적으로 비례합니다. 따라서, 액체 위의 가스의 압력을 낮추면 용존 가스의 용해도가 감소하고 거품으로 방출됩니다.

동결 펌프 해동 탈기는 먼저 액체 질소 또는 드라이 아이스의 Dewar를 사용하여 용매를 동결하는 것을 포함한다. 그런 다음 진공이 적용되고 냉동 용매 위의 헤드 스페이스가 대피합니다. 이것은 액체 위의 헤드 스페이스의 압력을 감소시켜 용존 가스의 용해도를 낮춥춥시다.

플라스크는 밀봉되고 용매가 해동되어 용존기 종을 헤드스페이스로 방출할 수 있게 합니다. 그런 다음 액체를 재고정하고 공정이 필요에 따라 여러 번 반복됩니다.

동결 펌프 해동 탈기는 일반적으로 진공 의 적용뿐만 아니라 불활성 가스의 도입을 포함하기 때문에 Schlenk 라인 설정으로 수행됩니다. 슐렌크 라인은 여러 포트가 있는 듀얼 유리 매니폴드로 구성되어 있습니다. 슐렌크 라인의 이 컬렉션 의 비디오는 이 장치에 대해 자세히 설명합니다. 동결 펌프 해동 기술의 기본이 설명되었으므로 실험실에서 절차가 입증됩니다.

첫째, 깨끗하고 건조한 슐렌크 플라스크를 얻습니다. 플라스크에서 균열이나 골절을 검사하여 플라스크가 도중 산산조각날 수 있습니다.

클램프로 슐렌크 플라스크를 고정하고 원하는 용매 또는 용액을 추가합니다. 일부 용매가 동결 시 확장되어 플라스크를 산산조각낼 수 있기 때문에 부피의 50% 이상을 사용하지 마십시오. 스톱콕을 닫고 개구부가 밀봉되었는지 확인합니다. 슐렌크 플라스크의 측면 팔을 슐렌크 라인에 유연한 튜브 조각으로 연결하고 슐렌크 라인의 해당 밸브를 닫아 두십시오. 플라스크의 스톱콕과 진공 선에 연결된 밸브를 열어 플라스크를 대피시다. 진공이 설정되면 밸브를 닫습니다. 플라스크를 채우기 위해 불활성 가스 라인에 밸브를 엽니 다. 불활성 가스로 가득 차면 플라스크의 스톱콕을 닫은 다음 라인에 있습니다.

플라스크를 액체를 동결시키기 위해 액체 질소를 함유한 데와르에 담급니다. 용매가 고정되면 슐렌크 플라스크의 스톱콕을 열고 슐렌크 라인의 밸브를 열어 플라스크에서 진공을 당깁니다. 플라스크를 진공 상태와 액체 질소 드와르 내부에 약 10분 동안 보관하십시오.

액체 질소 드와르에서 플라스크를 제거합니다. 다음으로 스톱콕을 닫아 봉인하십시오.

용매를 완전히 녹여기 위해 따뜻한 수조에 플라스크를 담급니다. 이 절차 동안 가스 기포는 용매에서 눈에 띄게 진화합니다. 액체를 방해하지 말고 용매가 자체적으로 해동되도록 하십시오.

용매가 완전히 해동되면 따뜻한 수조를 액체 질소 드와르로 대체하고 용매를 재고정하십시오.

용매가 고정되면 슐렌크 플라스크와 슐렌크 라인에서 스톱콕을 열어 플라스크에서 진공을 당깁니다. 10분 후 플라스크와 슐렌크 라인의 스톱콕을 닫은 다음 액체 질소 드와르를 제거합니다. 따뜻한 수조에서 솔루션을 다시 해동하십시오. 가스 거품이 용매에서 더 이상 진화하지 않도록 프로세스를 반복합니다.

이러한 사이클이 완료된 후 불활성 가스 아래에서 슐렌크 플라스크를 밀봉하십시오. 이렇게 하려면 셸렌크 라인의 불활성 가스에 밸브를 연 다음 플라스크의 스톱콕을 열어 용매를 불활성 대기에 노출시합니다.

슐렌크 플라스크가 가스로 채워지면 슐렌크 플라스크와 슐렌크 라인 밸브를 닫습니다. 이제 솔루션이 변형되어 사용할 준비가 되었습니다.

탈기 기술은 특정 가스의 존재가 위험하거나 실험을 오염시킬 수 있는 응용 분야에 매우 중요합니다.

유기 합성을 위한 용액의 탈기는 슐렌크 라인 시스템의 핵심 적용입니다. 이 실험에서, 카드뮴 셀레니드 나노 결정이 합성되었고, 산소는 반응에 해롭다. 첫째, 분자 전구체가 제조되고 가열되었다. 혼합물은 진공 상태에서 탈퇴한 다음 플라스크가 아르곤으로 플러시되었습니다. 반응은 아르곤 분위기하에서 완료되었습니다.

밀러-우레 실험은 삶의 기원에 초점을 맞춘 선구적인 연구입니다. 이 실험은 원시 대기중의 가스만 존재하도록 요구합니다. 첫째, 원시 대기는 바다를 시뮬레이션하기 위해 물을 포함하는 밀봉 된 둥근 바닥 플라스크에서 재현되었습니다. 번개를 시뮬레이션하는 전극이 장착되었습니다. 액체는 암모니아와 메탄과 같은 원시 가스를 도입하기 전에 슐렌크 라인을 사용하여 탈유되었습니다.

가스가 들어 있는 닫힌 플라스크가 시스템에서 제거되었습니다. 그런 다음 원시 수프에서 번개를 시뮬레이션하기 위해 스파크를 실시했습니다. 다수의 아미노산 및 기타 작은 유기 분자가 생성되었습니다.

주변 공기가 용액을 오염시키지 않는 경우 진공 챔버를 사용하여 탈가싱을 수행할 수도 있습니다. 이 예에서, 폴리디메틸실록산 기둥은 이전에 준비된 금형으로부터 성형되었다. 미세 유체 장치로 알려진 성형 장치는 소량의 액체를 미세하게 제어하는 데 사용됩니다. 이를 위해 PDMS 염기와 경화제의 10:1 질량 비율이 격렬하게 혼합되었다. 그런 다음 용액이 진공 챔버에서 탈기되어 모든 기포를 제거했습니다. 탈가스 폴리머는 금형 위에 부어 오븐에서 경화되었다. 그런 다음 장치는 금형에서 분리되어 액체의 표면 장력 특성을 연구하는 데 사용되었습니다.

동결 펌프 해동 기술을 사용하여 용매의 탈가스에 대한 JoVE의 소개를 방금 시청했습니다. 이제 슐렌크 라인 시스템에서 이 기술을 사용하는 방법을 더 잘 이해해야 합니다.

시청해 주셔서 감사합니다!

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Applications and Summary

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용해 된 가스의 제거는 학계와 산업 모두에서 중요합니다. 그것은 종종 기계 및 실험실 기기의 품질을 유지 하 여 필요, 다양 한 화학 반응을 보호 하기 위한, 크로 마 토 그래 피 및 분광에 대 한 정확한 판독값을 얻기 위해.

공기에 민감한 시약을 사용하거나 생성하는 반응, 예를 들어, 유기금속 화합물, 티올, 인스핀 및 전자가 풍부한 방향족은 실험 전반에 걸쳐 무결성을 유지하기 위해 어느 정도의 탈가스를 자주 필요로 합니다. 용해된 가스를 제거하기 위한 적절한 예방 조치를 취하지 않으면 공기 에 민감한 반응의 수율 또는 결과를 변경할 수 있습니다. 용존 산소는 흥분 상태를 담금질하여 광화학 연구에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 방향족 삼중 상태는 용액에 존재하는 소량의 산소에 의해 담금질될 수 있으며, 강도 및 스펙트럼분포(그림 3)에영향을 미칩니다.

Figure 3
그림 3. 솔루션의 형광 방출 스펙트럼. 410nm에서 410nm에서 배출 강도가 산소 포화 용액에서 14% 감소하는 410nm에서 탈가스 벤젠(블루 라인)과 산소 포화 벤젠(레드 라인)의 테트레이스테네(16 μM).

산업에서 물은 열 교환에 일반적으로 사용되는 유체입니다. 금속 파이프, 보일러 시스템 및 펌프의 수명은 흐르는 물의 품질에 따라 달라집니다. 물은 산소와 이산화탄소의 다른 수준을 포함, 금속 재료에 손상을 일으킬 수 있습니다. 산소는 산화 시약이며, 이산화탄소는 카복실산으로의 전환으로 인해 부식성입니다. 상기 시스템에 탈가스물을 납품하면 장비 수명이 연장됩니다.

또한, 용매에 존재하는 가스는 성능과 출력 모두에 대하여 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)와 같은 실험실 기기에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 대부분의 계측기에는 용매를 분배하는 금속 프로펠러 또는 펌프가 있습니다. 용해 가스를 가진 용매와 접촉하면 캐비테이션과 부식이 발생하여 금속 부품의 손상이나 저하가 발생할 수 있습니다. 검출기 안정성은 또한 용존 가스의 존재와 산소의 부족 제거에 의해 영향을 받기 때문에 기준선 드리프트를 일으킬 수 있습니다.

동결 펌프 해동 사이클링은 액체의 중소규모 탈기에 적합한 비교적 빠르고 효율적인 방법입니다. 이 프로세스는 용매의 존재 용해 된 가스와 관련하여 위에서 논의 한 몇 가지 문제를 극복하는 데 도움이 될 수 있습니다.

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References

  1. Shriver, D. F., Drezdn, M. A. The Manipulation of Air Sensitive Compounds. 2nd ed. Wiley & Sons: New York, NY (1986).
  2. Girolami, G. S., Rauchfuss, T. B., Angelici, R. B. Synthesis and Technique in Inorganic Chemistry: A Laboratory Manual. 3rd ed. University Science Books: Sausalito, CA, (1999).
  3. Kotz, J., Treichel, P., Townsend, J.  Chemistry and Chemical Reactivity. 8th ed. Brooks/Cole: Belmont, CA. (2012).

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