Introduktion
Mens analyseteknikker som EDX eller ICP-MS giver en detaljeret analyse af kemiske elementer, f.eks. af dem, der forekommer i en saltprøve [1], kan metoder til termisk analyse også bruges til at identificere og karakterisere forskellige kemiske forbindelser, der findes i en sådan prøve. Simultan termisk analyse (STA), som refererer til termogravimetri (TGA) og differentiel scanningskalorimetri (DSC), der udføres samtidigt i ét eksperiment, blev f.eks. brugt til at undersøge cementråmaterialer, herunder tilstedeværelsen og virkningen af urenheder fra alkalimetalsalte [2]. Et andet eksempel er smelteprocessen og den specifikke varmekapacitet for faseskiftematerialet (PCM) natriumnitrat, NaNO3, som blev undersøgt ved hjælp af DSC [3].
Dette arbejde omhandler STA-målinger på NaCl, KCl, almindeligt bordsalt og såkaldt Himalayasalt, hvor Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltning, delvis FordampningFordampning af et grundstof eller en forbindelse er en faseovergang fra væskefase til damp. Der findes to typer fordampning: fordampning og kogning.fordampning og analyse af saltenes sammensætning er i fokus. Alkalisalte som NaCl (halit) og KCl (sylvit) spiller en vigtig rolle i vores daglige liv. Mens NaCl er hovedbestanddelen i bord- eller køkkensalt, kan KCl f.eks. bruges som vejsalt om vinteren. Himalayasalt fra Pakistan er et naturligt salt, der ud over NaCl indeholder forskellige mineraler og oxider som Fe2O3 [1], som er ansvarlig for den let lyserøde farve (se billedet ovenfor).
Eksperimentel
Målingerne blev udført med STA 449 F5 Jupiter® (se figur 1). Dette instrument, som har en SiC-ovn, der tillader en maksimal prøvetemperatur på 1600 °C, kan valgfrit udstyres med den automatiske prøveskifter (ASC) og koblingsteknikker til analyse af udviklede gasser såsom MS, FT-IR eller GC-MS. Vægtens vejeområde er så bredt som 35 g med en balanceopløsning på 0,1 μg over hele området. En anden fordel ved STA 449 F5 Jupiter® er TG-BeFlat® -softwarefunktionen, som automatisk tager højde for opdriftseffekten, så det ikke længere er nødvendigt med basislinjemålinger til standardtest.
De målebetingelser, der er anvendt i dette arbejde, er opsummeret i tabel 1.
Tabel 1: Målebetingelser anvendt til dette arbejde
Målebetingelser | |
|---|---|
| Instrument | STA 449 F5 Jupiter® |
| Prøvebærer | TGA-DSC type S |
| Digler | PtRh (0,19 ml) |
| Opvarmningshastighed | 10 K/min |
| Prøvens masse | 23 ± 1 mg |
| Atmosfære | N2 |
| Strømningshastighed for udrensningsgas | 70 ml/min |
Prøverne NaCl [4] og KCl [5] havde begge en nominel renhed på 99,8 %, mens der ikke var nogen oplysninger om renheden for bordsaltet og Himalayasaltet. Alle prøver blev målt som et tyndt lag korn, der kun lige dækkede bunden af diglen; prøvematerialet var hverken malet eller komprimeret.
Resultater og diskussion
Figur 2 viser den temperaturafhængige masseændring og varmestrømningshastighed for NaCl-prøven. Ved en ekstrapoleret starttemperatur på 802,1 °C blev der observeret en EndotermEn prøveovergang eller en reaktion er endoterm, hvis der er brug for varme til omdannelsen.endoterm effekt med en toptemperatur på 813 °C og en entalpi på 480 J/g, som kan tilskrives Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltning af prøven. Begyndelsestemperaturen, som afspejler smeltepunktet, stemmer godt overens med litteraturværdien på 801 °C; entalpien på 480 J/g er også i god overensstemmelse med smeltevarmeværdien på 484 J/g, som findes i litteraturen [6]. Over ca. 800 °C opstod der et massetab på 0,9 %, hvilket skyldes delvis FordampningFordampning af et grundstof eller en forbindelse er en faseovergang fra væskefase til damp. Der findes to typer fordampning: fordampning og kogning.fordampning af prøven.
STA resultaterne for KCl-prøven er vist i figur 3. Igen blev der observeret Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltning og delvis FordampningFordampning af et grundstof eller en forbindelse er en faseovergang fra væskefase til damp. Der findes to typer fordampning: fordampning og kogning.fordampning; smeltepunktet, der blev registreret ved 771,4 °C, er i god overensstemmelse med litteraturværdien på 772 °C, og entalpiværdien på 361 J/g er igen i overensstemmelse med den værdi på 351 J/g, der er rapporteret i referencen [6].
I figur 4 ses de opnåede STAresultater for bordsaltprøven, som klart adskiller sig fra resultaterne for den rene NaCl-prøve (sammenlign figur 4 og 2): Begyndelsen på den vigtigste DSC-top er ved 797,2 °C og dermed betydeligt under den værdi på 802,1 °C, der blev observeret for ren NaCl; der blev også registreret en yderligere EndotermEn prøveovergang eller en reaktion er endoterm, hvis der er brug for varme til omdannelsen.endoterm effekt ved en ekstrapoleret begyndelsestemperatur på 724 °C. Entalpien for den primære smelteeffekt på 499 J/g er i samme størrelsesorden som værdien på 480 J/g, der blev observeret for ren NaCl, mens entalpien for den første effekt kun er 6 J/g. Disse resultater viser, at bordsaltet - som forventet - ikke er ren NaCl; DSC-kurven, der blev fundet for bordsaltprøven, observeres typisk for binære saltblandinger [7]. I dette tilfælde er NaI-NaCl med en koncentration af NaI i det lavere procentområde den mest sandsynlige kandidat [7].
STA-resultaterne for himalayasalt, som er vist i figur 5a og 5b, er endnu mere komplekse end resultaterne for bordsalt. Dette kan allerede ses i massetabstrinnene på 0,06 %, 0,07 %, 0,05 %, 0,05 %, 0,17 % og 0,10 %, der blev observeret under 700 °C for Himalaya-saltprøven (se figur 5b). Under ca. 400 °C viste DSC-signalet endoterme effekter, som korrelerer - og som skyldes massetabstrinnene; detaljer som spidstemperaturer og entalpier kan ses i figur 5b. Massetabet under ca. 200 °C skyldes sandsynligvis frigivelse af fugt og dehydrering af gips (blanding af CaSO4∙2H2Oog CaSO4∙½H2O) med en anslået koncentration i underprocentområdet. Mellem ca. 200°C og 400°C kan massetabstrinnene skyldes NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning af forskellige karbonater, mens massetabstrinnene i området omkring 450°C kan skyldes dehydrering af Ca(OH)2. For yderligere fortolkninger af massetabstrinnene ville en analyse af udviklede gasser helt klart være nyttig [8]. DSC-resultatet ved over ca. 580 °C er også meget komplekst (se figur 5b): Der blev registreret mindst syv endoterme DSC-effekter. Hovedtoppen ved 799 °C skyldes sandsynligvis igen en binær, NaCl-rig blanding som NaI-NaCl, KCl-NaCl [7] eller Na2CO3- NaCl [7, 9], hvorfra DSC-toppen ved 712 °C også kan StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.stamme. De resterende DSC-effekter mellem 580 °C og 720 °C skyldes formentlig smelteprocesserne for flere jodider, fluorider, klorider, karbonater eller sulfater og blandinger af dem med NaCl eller KCl [7, 10]. For eksempel kan DSC-toppen ved 587 °C skyldes CaI2 eller K2SO4, den skarpe top ved 690 °C kan skyldes KI, og toppen ved 679 °C kan skyldes en strukturel transformation af Fe2O3 [10]. Yderligere detaljer som toptemperaturer og entalpier kan igen ses i figur 5b. Himalayasaltets massetab på 2,74 % over 700 °C (se figur 5a), som igen skyldes delvis FordampningFordampning af et grundstof eller en forbindelse er en faseovergang fra væskefase til damp. Der findes to typer fordampning: fordampning og kogning.fordampning, er betydeligt højere end for de andre undersøgte prøver.
Konklusion
Undersøgelser af NaCl, KCl, bordsalt og Himalayasalt ved hjælp af STA 449 F5 Jupiter® viste, at dette instrument er velegnet til at studere stoffer som alkalisalte og blandinger af dem. Især DSC-signalet, som meget tydeligt afspejler smelteprocesser og andre faseomdannelser, giver mulighed for at undersøge fasediagrammer via smeltetemperaturer og endda entalpier. TGA-signalet indikerer ikke kun FordampningFordampning af et grundstof eller en forbindelse er en faseovergang fra væskefase til damp. Der findes to typer fordampning: fordampning og kogning.fordampning af prøven, men også massetab på grund af NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning af f.eks. urenheder, som kan identificeres og kvantificeres i flere tilfælde.