Screening af hydrogenperoxidopløsninger ved hjælp af scanningstests og ARC^® tests

Hydrogenperoxid

Ren hydrogenperoxid (_H2O2) er en lyseblå væske, der kan blandes i ethvert forhold med vand. Vandige opløsninger med lav procentdel bruges i vid udstrækning som blegemidler på grund af deres stærke oxiderende egenskaber. Ud over til blegning af træ, papir eller hår bruges brintoverilteopløsninger også som oxidationsmidler eller til medicinsk brug som desinfektionsmidler. Hydrogenperoxids tendens til at blive nedbrudt til vand og ilt (ligning 1 nedenfor) er grunden til, at det anvendes som flydende drivmiddel i raketmotorer.

Multiple Module Calorimeter (MMC) sammenlignet med Differential Scanning Calorimetry (DSC)

NETZSCH Multiple Module Calorimeter Kalorimeter med flere moduler (MMC)En kalorimeteranordning med flere tilstande, der består af en basisenhed og udskiftelige moduler. Et modul er forberedt til accelerationskalorimetri (ARC^®), ARC^®-modulet. Et andet bruges til scanningstest (Scanning Module), og et tredje og fjerde er relateret til batteri og polymer, farmaceutisk testning af møntceller (Coin Cell Module).MMC 274 Nexus^® (figur 1) tilbyder tre forskellige målemoduler [1]. Accelererende hastighedskalorimetri (ARC)Metoden beskriver isotermiske og adiabatiske testprocedurer, der anvendes til at påvise termisk eksoterme nedbrydningsreaktioner.ARC^® -modulet kan bruges til undersøgelser af termisk fare; Coin-Cell-modulet er specialiseret til undersøgelse af batterier; og Scanning-modulet kan bruges til at evaluere kaloriske data fra en enkelt opvarmningskørsel. I modsætning til den udbredte og velkendte teknik med differentialscanningskalorimetri (DSC) kan Kalorimeter med flere moduler (MMC)En kalorimeteranordning med flere tilstande, der består af en basisenhed og udskiftelige moduler. Et modul er forberedt til accelerationskalorimetri (ARC^®), ARC^®-modulet. Et andet bruges til scanningstest (Scanning Module), og et tredje og fjerde er relateret til batteri og polymer, farmaceutisk testning af møntceller (Coin Cell Module).MMC's ScanningsmodulEt kalorimetermodul, der er en del af Multipe Module Calorimeter (MMC), og som giver mulighed for scanningstest af en prøve. Denne procedure kan fungere som en screeningstest for at opdage et termisk farepotentiale inden for en rimelig kort måletid.scanningsmodul håndtere prøver med et volumen på op til 2 ml. Til opvarmning af prøverne er der to muligheder: enten en konstant opvarmningshastighed eller et konstant effektniveau. Ved at bruge oplysninger om både den strøm, der tilføres prøven, og opvarmningshastigheden kan der beregnes et varmestrømssignal. Ved hjælp af metaller som indium, tin og bismuth kan både instrumentets temperatur og følsomhed bestemmes. Med 1000 til 9000 mg (prøvevolumen ca. 1 ml) er de typiske prøvemasser betydeligt højere for Kalorimeter med flere moduler (MMC)En kalorimeteranordning med flere tilstande, der består af en basisenhed og udskiftelige moduler. Et modul er forberedt til accelerationskalorimetri (ARC^®), ARC^®-modulet. Et andet bruges til scanningstest (Scanning Module), og et tredje og fjerde er relateret til batteri og polymer, farmaceutisk testning af møntceller (Coin Cell Module).MMC end de prøvemasser, der bruges til DSC, som typisk er mellem 5 og 10 mg. Alligevel er den evaluerede usikkerhed for Kalorimeter med flere moduler (MMC)En kalorimeteranordning med flere tilstande, der består af en basisenhed og udskiftelige moduler. Et modul er forberedt til accelerationskalorimetri (ARC^®), ARC^®-modulet. Et andet bruges til scanningstest (Scanning Module), og et tredje og fjerde er relateret til batteri og polymer, farmaceutisk testning af møntceller (Coin Cell Module).MMC's ScanningsmodulEt kalorimetermodul, der er en del af Multipe Module Calorimeter (MMC), og som giver mulighed for scanningstest af en prøve. Denne procedure kan fungere som en screeningstest for at opdage et termisk farepotentiale inden for en rimelig kort måletid.scanningsmodul ca. 1 % for temperaturbestemmelser og mindre end 5 % for entalpibestemmelser.

Scanningsmodul og ARC^® modul

Dette arbejde undersøger den termiske NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning af vandige hydrogenperoxidopløsninger i forskellige koncentrationer. Der anvendes to Kalorimeter med flere moduler (MMC)En kalorimeteranordning med flere tilstande, der består af en basisenhed og udskiftelige moduler. Et modul er forberedt til accelerationskalorimetri (ARC), ARC-modulet. Et andet bruges til scanningstest (Scanning Module), og et tredje og fjerde er relateret til batteri og polymer, farmaceutisk testning af møntceller (Coin Cell Module).MMC-moduler til disse undersøgelser: Scanningsmodulet (se figur 2) til screening af prøverne og Accelererende hastighedskalorimetri (ARC)Metoden beskriver isotermiske og adiabatiske testprocedurer, der anvendes til at påvise termisk eksoterme nedbrydningsreaktioner.ARC^® -modulet (se figur 3) til Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search er en målemetode, der anvendes i kalorimeterudstyr i henhold til accelerationskalorimetri (ARC^®).heat-wait-search (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search er en målemetode, der anvendes i kalorimeterudstyr i henhold til accelerationskalorimetri (ARC^®).HWS)-undersøgelser. Via et eksternt varmelegeme, som omgiver prøvebeholderen direkte (figur 4), kan Scanning Module forsyne prøven med et konstant strømniveau.

Målebetingelser

Hydrogenperoxid (Sigma Aldrich) blev modtaget som en vandig opløsning (35 %) og opbevaret ved omgivelsestemperatur. Hydrogenperoxidopløsningen blev brugt som modtaget og blev fortyndet med renset vand for at observere flere lavere koncentrationer. Sammensætningen af de fortyndede prøver er opsummeret i tabel 1 og tabel 2. Målebetingelserne for både Scanning- og Accelererende hastighedskalorimetri (ARC)Metoden beskriver isotermiske og adiabatiske testprocedurer, der anvendes til at påvise termisk eksoterme nedbrydningsreaktioner.ARC^® -modulerne sammenlignes i tabel 3.

Tab 1: Prøvesammensætninger til screening (ScanningsmodulEt kalorimetermodul, der er en del af Multipe Module Calorimeter (MMC), og som giver mulighed for scanningstest af en prøve. Denne procedure kan fungere som en screeningstest for at opdage et termisk farepotentiale inden for en rimelig kort måletid.Scanningsmodul)

Tab 2: Prøvesammensætninger til AdiabatiskAdiabatisk beskriver et system eller en målemetode uden nogen form for varmeudveksling med omgivelserne. Denne tilstand kan realiseres ved hjælp af en kalorimeteranordning i henhold til metoden for accelererende hastighedskalorimetri (ARC^®). Hovedformålet med et sådant apparat er at studere scenarier og termiske runaway-reaktioner. En kort beskrivelse af den adiabatiske tilstand er "ingen varme ind - ingen varme ud".adiabatisk testning (Accelererende hastighedskalorimetri (ARC)Metoden beskriver isotermiske og adiabatiske testprocedurer, der anvendes til at påvise termisk eksoterme nedbrydningsreaktioner.ARC^® Module)

Tab 3: Målebetingelser

Resultater og diskussion

Afhængigt af ændringen i prøvernes varmekapacitet resulterer det konstante effektinput normalt i en næsten konstant opvarmningshastighed ved prøven. Figur 5 viser resultatet af opvarmning af hydrogenperoxid (35 %) ved hjælp af scanningsmodulet med et konstant effektinput på 250 mW. Den resulterende opvarmningshastighed er ca. 1 K/min i de første 60 minutter. Efter en time starter nedbrydningsreaktionen og producerer yderligere varme. Under nedbrydningsreaktionen stiger opvarmningshastigheden til et maksimum på 5,6 K/min, og det registrerede tryk stiger også. I henhold til ligning 1 genererer nedbrydningsreaktionen ilt. Ud over fordampningen af vand er denne gasdannelse hovedårsagen til trykstigningen under opvarmningen.

Sammenligning af opførslen af _H2O2,_H2Oog Tomt fartøj

Resultaterne i figur 5 viser udelukkende opvarmningen af prøven. Da nedbrydningsreaktionen af hydrogenperoxid ikke er reversibel, optages den genererede oxygen ikke igen for at danne den oprindelige hydrogenperoxid under afkøling. I stedet afkøles de dannede produkter af vand og ilt til omgivelsestemperatur som henholdsvis en væske og en gas. Tryksignalet viser 17,7 bar ved 40 °C, hvilket afspejler den mængde ilt, der dannes under nedbrydningen (figur 6). Hvis man i stedet tager den samme mængde vand, stiger trykket også under opvarmning, men da vand forbliver kemisk uændret, udfældes al vanddamp igen under afkøling. Derfor viser den stiplede blå linje, der angiver tryksignalet for vand under afkøling, værdier, der er næsten identiske med opvarmningen (fuldt optrukne linjer). Til sammenligning viser de grønne linjer forløbet af tryksignalet under opvarmning og afkøling for en tom beholder.

_H2O2 med forskellige koncentrationer

Især når man sammenligner med vand, kan man se, at FordampningFordampning af et grundstof eller en forbindelse er en faseovergang fra væskefase til damp. Der findes to typer fordampning: fordampning og kogning.fordampning - som forekommer til en vis grad selv i et lukket beholdersystem - altid er reversibel. Dette bekræftes af tryksignalet ved 40 °C efter nedkølingen. På den anden side producerer nedbrydningsreaktionen af hydrogenperoxid en bestemt mængde gas. Derfor forventes tryksignalet at være proportionalt med den absolutte mængde hydrogenperoxid i opløsningen. Når man gentager disse tests med prøver af forskellige hydrogenperoxidkoncentrationer, bør trykopbygningen under testen være proportional med hydrogenperoxidkoncentrationen. Figur 7 sammenligner opvarmningsresultaterne for prøverne 1 til 6. De tilknyttede hydrogenperoxidkoncentrationer er opsummeret i tabel 1.

Sammenhæng mellem _{H2O2-koncentration} og tryk

Nedbrydningsreaktionen af hydrogenperoxid indikeres af stigningen i opvarmningshastigheden målt ved prøven samt af trykopbygningen. I figur 8 er signalet for det resterende tryk efter reaktionen og efter nedkølingen til 42 °C evalueret. Der er en næsten perfekt lineær sammenhæng mellem trykket og hydrogenperoxidkoncentrationen i prøven. Denne sammenhæng er afbildet i figur 9.

Forskellige koncentrationer af _H2O2 undersøgt medARC^® Module

Forskellige koncentrationer af H2O2 undersøgt med Accelererende hastighedskalorimetri (ARC)Metoden beskriver isotermiske og adiabatiske testprocedurer, der anvendes til at påvise termisk eksoterme nedbrydningsreaktioner.ARC^® moduletEn lignende serie af vandige hydrogenperoxidkoncentrationer blev også undersøgt ved hjælp af Kalorimeter med flere moduler (MMC)En kalorimeteranordning med flere tilstande, der består af en basisenhed og udskiftelige moduler. Et modul er forberedt til accelerationskalorimetri (ARC), ARC-modulet. Et andet bruges til scanningstest (Scanning Module), og et tredje og fjerde er relateret til batteri og polymer, farmaceutisk testning af møntceller (Coin Cell Module).MMC's Accelererende hastighedskalorimetri (ARC)Metoden beskriver isotermiske og adiabatiske testprocedurer, der anvendes til at påvise termisk eksoterme nedbrydningsreaktioner.ARC^® modul (figur 3). De tilknyttede hydrogenperoxidkoncentrationer er opsummeret i tabel 2. Modulet Accelererende hastighedskalorimetri (ARC)Metoden beskriver isotermiske og adiabatiske testprocedurer, der anvendes til at påvise termisk eksoterme nedbrydningsreaktioner.ARC^® kan bruges til specifikt at bestemme temperaturen for begyndelsen af nedbrydningen ved hjælp af et såkaldt Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search er en målemetode, der anvendes i kalorimeterudstyr i henhold til accelerationskalorimetri (ARC^®).heat-wait-search (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search er en målemetode, der anvendes i kalorimeterudstyr i henhold til accelerationskalorimetri (ARC^®).HWS)-program. Ved hjælp af sekvensen med opvarmning, ligevægt og detektion bestemmes prøvens SelvopvarmningshastighedEn særlig type kalorimeter bruges til at registrere et stofs selvopvarmningshastighed. Den beslægtede metode kaldes accelerationskalorimetri (ARC^®). selvopvarmningshastighed under kvasi-isoterme forhold, og derefter undersøges prøven i AdiabatiskAdiabatisk beskriver et system eller en målemetode uden nogen form for varmeudveksling med omgivelserne. Denne tilstand kan realiseres ved hjælp af en kalorimeteranordning i henhold til metoden for accelererende hastighedskalorimetri (ARC^®). Hovedformålet med et sådant apparat er at studere scenarier og termiske runaway-reaktioner. En kort beskrivelse af den adiabatiske tilstand er "ingen varme ind - ingen varme ud".adiabatisk tilstand [1, 2].

Resultaterne for hydrogenperoxidkoncentrationer på 35 %, 17 % og 8,6 % er vist i figur 10. Som forventet bekræfter resultaterne en mindre temperaturstigning (_ΔTobs) under adiabatiske forhold for lavere hydrogenperoxidkoncentrationer. Den temperatur, hvor nedbrydningsreaktionen registreres (onset), stiger for lavere koncentrationer på grund af den lavere frigivelse af energi (90 °C og 110 °C). Den maksimale SelvopvarmningshastighedEn særlig type kalorimeter bruges til at registrere et stofs selvopvarmningshastighed. Den beslægtede metode kaldes accelerationskalorimetri (ARC^®). selvopvarmningshastighed for hydrogenperoxidkoncentrationer under 5 % er mindre end 0,02 K/min. Derfor registreres der ingen eksoterme hændelser i et sådant tilfælde. De temperaturstigningstrin (_ΔTobs), der blev registreret under de adiabatiske segmenter af flere Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search er en målemetode, der anvendes i kalorimeterudstyr i henhold til accelerationskalorimetri (ARC^®).HWS-tests, er vist i figur 11.

Konklusion

Disse resultater viser tydeligt MMC-scanningsmodulets evne til at screene. I tilfælde af stærkt eksoterme reaktioner vil selvopvarmningshastigheden stige betydeligt - til over niveauet på ca. 1 K/min - som følge af den konstante strømtilførsel. Når en ukendt prøve udviser en EksotermEn prøveovergang eller en reaktion er eksoterm, hvis der udvikles varme.eksotermNedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydningsreaktion, kan dette således erkendes inden for flere timer. Så snart det farlige potentiale er erkendt, anbefales en AdiabatiskAdiabatisk beskriver et system eller en målemetode uden nogen form for varmeudveksling med omgivelserne. Denne tilstand kan realiseres ved hjælp af en kalorimeteranordning i henhold til metoden for accelererende hastighedskalorimetri (ARC^®). Hovedformålet med et sådant apparat er at studere scenarier og termiske runaway-reaktioner. En kort beskrivelse af den adiabatiske tilstand er "ingen varme ind - ingen varme ud".adiabatisk test ved hjælp af et MMC Accelererende hastighedskalorimetri (ARC)Metoden beskriver isotermiske og adiabatiske testprocedurer, der anvendes til at påvise termisk eksoterme nedbrydningsreaktioner.ARC^® -modul [1]. En sådan Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search er en målemetode, der anvendes i kalorimeterudstyr i henhold til accelerationskalorimetri (ARC).HWS-test kan nemt tage en hel dag, men på den anden side er den meget mere relevant for den termiske ligevægt end en scanningstest [2].

Derudover demonstrerer resultaterne ovenfor på fin vis anvendeligheden af tryksignalet. Det konstante effektinput på 250 mW muliggør en opvarmningshastighed på ca. 1 K/min for en vandig prøve på 1 g. Prøver med en koncentration af hydrogenperoxid på under 5 % overskrider ikke denne opvarmningshastighed via den energi, der frigives under nedbrydningsreaktionen. Det betyder, at nedbrydningsreaktionen for lave koncentrationer maskeres af strømtilførslen på grund af prøvens SelvopvarmningshastighedEn særlig type kalorimeter bruges til at registrere et stofs selvopvarmningshastighed. Den beslægtede metode kaldes accelerationskalorimetri (ARC^®). selvopvarmningshastighed. Tryksignalet er derimod upåvirket af strømtilførslen. Derfor kan det tages som en vigtig indikator for, om der er sket en NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydningsreaktion eller ej, især i tilfælde af lavere koncentrationer.