Introduction
Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) se forment au cours de processus naturels et anthropiques tels que les éruptions volcaniques, les incendies de forêt, le raffinage du pétrole ou la production d'acier. En conséquence, ils sont libérés dans l'atmosphère et, en raison de leur hydrophobie, ils s'accumulent dans le sol et peuvent donc entrer dans la chaîne alimentaire. Diverses expériences ont montré que les HAP sont de puissants mutagènes et cancérigènes [1]. Le processus de déProcessus de sorptionLa sorption est un processus physique et chimique par lequel une substance (généralement un gaz ou un liquide) s'accumule dans une autre phase ou à la limite de deux phases. En fonction du lieu d'accumulation, on distingue l'absorption (accumulation dans une phase) et l'adsorption (accumulation à la limite des phases).sorption thermique de l'élimination de la contamination du sol par les HAP peut facilement être suivi par analyse thermique [2]. La combinaison de la DSC et de la thermogravimétrie documente la Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion et la perte de masse en tant qu'indication de l'évaporation des substances volatiles. Dans ce travail, une analyse thermique simultanée (STA) a été réalisée à l'aide d'instruments STA 449 Jupiter® afin d'obtenir les points de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion et d'ébullition ainsi que la pression de vapeur de trois HAP exemplaires, à savoir le naphtalène, l'anthracène et le benzo(a)pyrène.
Ces composés aromatiques ont été achetés par Alfa Aesar en grande pureté (naphtalène 99,6 %, anthracène 99 %, benzo(a) pyrène 96 %).
Points de fusion et d'ébullition
L'analyseur thermique simultané NETZSCH modèle STA 449 F3 Jupiter® équipé d'un porte-échantillon TG-DSC de type S, a été utilisé pour déterminer les points de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion et d'ébullition. Des creusets en aluminium scellés avec un trou d'épingle de 50 μm ont été utilisés pour ces mesures. La thermométrie de l'instrument STA était basée sur un étalonnage avec des étalons de Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion d'indium, d'aluminium et d'or et vérifiée avec du zinc avec une précision de 1 K. L'azote a été utilisé comme gaz de purge avec un débit de 70 ml/min et le chauffage jusqu'à 600°C a été effectué à une vitesse de chauffage constante de 10 K/min. La masse de l'échantillon était d'environ 20 mg.
La figure 1 illustre les changements de masse en fonction de la température et le signal DSC d'un échantillon de naphtalène. À une température d'apparition extrapolée de 81°C, un effet DSC EndothermiqueA sample transition or a reaction is endothermic if heat is needed for the conversion.endothermique avec une enthalpie de 129 J/g a été détecté, ce qui est dû à la Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). fusion. La température d'apparition extrapolée correspond à la Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope). température de fusion, à la température de pointe de 92°C, l'échantillon est entièrement fondu. Une perte de masse de 100 % s'est produite entre 150°C et 230°C, ce qui reflète l'évaporation de l'échantillon. Cet effet s'accompagne d'un pic DSC endothermique avec une enthalpie de 267 J/g et une température d'apparition extrapolée de 218°C. Cette dernière reflète le point d'ébullition de l'échantillon. Cette dernière reflète le point d'ébullition de l'échantillon.
Les résultats TG-DSC obtenus pour les échantillons d'anthracène et de benzo(a)pyrène sont présentés dans les figures 2 et 3 et les températures significatives de fusion et d'ébullition sont indiquées dans le tableau 1 ci-dessous. En général, on sait que les températures d'ébullition obtenues à partir d'une mesure DSC peuvent dépendre de la vitesse de chauffage, de la masse initiale de l'échantillon et également de la préparation de l'échantillon [3].
En outre, il convient de noter qu'une étape supplémentaire de perte de masse de 1,6 % ainsi qu'un effet endothermique avec une enthalpie de 31 J/g ont été observés pour l'échantillon de benzo(a)pyrène (voir figure 3), ce qui est très probablement dû à la libération d'humidité. Cette constatation est en accord avec la pureté nominale inférieure de cet échantillon (voir l'introduction).
Tableau 1 : Comparaison des températures de fusion et d'ébullition nominales (entre parenthèses, données par le fournisseur Alfa Aesar) et mesurées
| Naphtalène | Anthrazène | Benzo(a)pyrène | |
|---|---|---|---|
| Température de fusion | 81°C (80°C - 82°C) | 214°C (214°C - 218°C) | 176°C (177°C - 180°C) |
| Température d'ébullition | 218°C (218°C) | 335°C (340°C - 342°C) | 484°C (495°C) |
Pression de vapeur
La détermination de la pression de vapeur a été réalisée avec un analyseur thermique simultané STA 449 F1 Jupiter® . Au lieu d'un creuset standard, la cellule de Knudsen a été montée sur un porte-échantillon TG avec un thermocouple de type S (voir figure 4).
La pression de vapeur a pu être obtenue selon la méthode d'effusion de Knudsen [4]. Cette méthode décrit l'évaporation d'un échantillon à travers un trou défini de la cellule de Knudsen dans un vide poussé. L'instrument STA a donc été mis sous vide en permanence pendant la mesure à l'aide d'une pompe moléculaire turbo atteignant environ 10-5 mbar à l'extérieur de la cellule de Knudsen. La pression à l'intérieur de la cellule de Knudsen est égale à la pression de vapeur de l'échantillon.
Le matériau de l'échantillon qui s'évapore s'écoule par l'orifice de la cellule de Knudsen, ce qui entraîne un taux de perte de masse Δm/Δt, qui est la grandeur à mesurer. La pression de vapeur peut être calculée selon la formule de la littérature :
qui peut alors être transformé en
où C est le facteur de correction dit de Clausing [4]. Ce facteur, qui dépend du rapport entre le rayon r et la profondeur l du trou, peut être approximé pour les trous cylindriques :
A est la surface du trou, R est la constante universelle des gaz, T est la température et M est la masse molaire de l'échantillon [4]. La méthode d'effusion de Knudsen est généralement limitée par la mesure d'un taux de perte de masse fini, mais aussi par le vide élevé obligatoire à l'extérieur de la cellule de Knudsen. Un taux de perte de masse très élevé entraînerait la rupture du vide.
La figure 5 montre un exemple de résultat de mesure TG pour l'anthracène réalisée sous vide poussé à l'aide d'une cellule de Knudsen avec un diamètre de trou de 0,285 cm. À partir du taux de perte de masse détecté à différentes températures constantes, la pression de vapeur a été calculée à l'aide des formules (2) et (3).
Les résultats combinés obtenus pour l'anthracène, le naphtalène et le benzo(a)pyrène, qui suivent la dépendance exponentielle attendue de la température, sont visibles dans la figure 6. En raison de sa pression de vapeur relativement élevée, l'évaporation du naphtalène n'a pu être mesurée qu'à proximité de la température ambiante.
La comparaison avec les valeurs de la littérature [4, 5] est également illustrée dans la figure 6. Un écart d'environ un ordre de grandeur entre les valeurs mesurées et les valeurs de la littérature a été constaté dans le cas du benzo(a)pyrène ( large ).
Résumé
Les points de fusion et d'ébullition de l'anthracène, du naphtalène et du benzo(a)pyrène ont pu être identifiés par analyse thermique simultanée. Les valeurs de pression de vapeur ont en outre été déterminées en appliquant la méthode d'effusion de Knudsen. Tous les résultats obtenus à l'aide des instruments STA 449 Jupiter® sont en bonne corrélation avec les valeurs nominales et les valeurs de la littérature.