Hidrogén-peroxid
A tiszta hidrogén-peroxid (H2O2) halványkék folyadék, amely bármilyen arányban keverhető vízzel. Alacsony százalékos vizes oldatait erős oxidáló tulajdonságaik miatt széles körben használják fehérítőszerként. A fa, a papír vagy a haj fehérítése mellett a hidrogén-peroxid-oldatokat oxidálószerként vagy az orvosi alkalmazásban fertőtlenítőszerként is használják. A hidrogén-peroxid vízre és oxigénre bomlási hajlama (1. egyenlet) az oka annak, hogy folyékony hajtóanyagként alkalmazzák rakétahajtóművekben.
A többmodulos kaloriméter (MMC) összehasonlítása a és a differenciál pásztázó kalorimetriával (DSC)
A NETZSCH Többmodulos kaloriméter (MMC)Több üzemmódú kaloriméter készülék, amely egy alapegységből és cserélhető modulokból áll. Az egyik modul gyorsuló sebességű kalorimetriára van előkészítve (ARC®), a ARC®-Modul. Egy második a pásztázó vizsgálatokra szolgál (Scanning Module), egy harmadik és negyedik pedig az akkumulátorok és polimerek, érmecellák farmakológiai vizsgálatához kapcsolódik (Coin Cell Module).többmodulos kaloriméterTöbbmodulos kaloriméter (MMC)Több üzemmódú kaloriméter készülék, amely egy alapegységből és cserélhető modulokból áll. Az egyik modul gyorsuló sebességű kalorimetriára van előkészítve (ARC®), a ARC®-Modul. Egy második a pásztázó vizsgálatokra szolgál (Scanning Module), egy harmadik és negyedik pedig az akkumulátorok és polimerek, érmecellák farmakológiai vizsgálatához kapcsolódik (Coin Cell Module).MMC 274 Nexus® (1. ábra) három különböző mérési modult kínál [1]. A Gyorsuló sebességű kalorimetria (ARC)Az izotermikus és adiabatikus vizsgálati eljárásokat leíró módszer, amelyet a termikusan exoterm bomlási reakciók kimutatására használnak.ARC® modul a termikus veszélyek vizsgálatára használható; a Coin-Cell modul az akkumulátorok vizsgálatára specializálódott; a Scanning modul pedig egyetlen fűtési menet kalorikus adatainak kiértékelésére használható. A széles körben használt és jól ismert differenciál pásztázó kalorimetriás (DSC) technikával ellentétben az Többmodulos kaloriméter (MMC)Több üzemmódú kaloriméter készülék, amely egy alapegységből és cserélhető modulokból áll. Az egyik modul gyorsuló sebességű kalorimetriára van előkészítve (ARC®), a ARC®-Modul. Egy második a pásztázó vizsgálatokra szolgál (Scanning Module), egy harmadik és negyedik pedig az akkumulátorok és polimerek, érmecellák farmakológiai vizsgálatához kapcsolódik (Coin Cell Module).MMC pásztázó modulja legfeljebb 2 ml térfogatú minták kezelésére alkalmas. A minták fűtésére két lehetőség áll rendelkezésre: vagy állandó fűtési sebesség, vagy állandó teljesítményszint. A mintához adott teljesítményre és a fűtési sebességre vonatkozó információk felhasználásával egy hőáramlási jel számítható ki. Az olyan fémek, mint az indium, az ón és a bizmut használatával a készülék hőmérséklete és érzékenysége is meghatározható. Az 1000-9000 mg-os (kb. 1 ml mintatérfogat) tipikus mintatömegek az Többmodulos kaloriméter (MMC)Több üzemmódú kaloriméter készülék, amely egy alapegységből és cserélhető modulokból áll. Az egyik modul gyorsuló sebességű kalorimetriára van előkészítve (ARC®), a ARC®-Modul. Egy második a pásztázó vizsgálatokra szolgál (Scanning Module), egy harmadik és negyedik pedig az akkumulátorok és polimerek, érmecellák farmakológiai vizsgálatához kapcsolódik (Coin Cell Module).MMC esetében lényegesen nagyobbak, mint a DSC-nél használt mintatömegek, amelyek jellemzően 5-10 mg közöttiek. Ennek ellenére az Többmodulos kaloriméter (MMC)Több üzemmódú kaloriméter készülék, amely egy alapegységből és cserélhető modulokból áll. Az egyik modul gyorsuló sebességű kalorimetriára van előkészítve (ARC®), a ARC®-Modul. Egy második a pásztázó vizsgálatokra szolgál (Scanning Module), egy harmadik és negyedik pedig az akkumulátorok és polimerek, érmecellák farmakológiai vizsgálatához kapcsolódik (Coin Cell Module).MMC pásztázó moduljának becsült bizonytalansága a hőmérséklet-meghatározásoknál körülbelül 1%, az entalpia-meghatározásoknál pedig kevesebb, mint 5%.
Szkennelési modul és ARC® modul
Ez a munka különböző koncentrációjú vizes hidrogén-peroxid-oldatok termikus bomlási viselkedését vizsgálja. A vizsgálatokhoz két Többmodulos kaloriméter (MMC)Több üzemmódú kaloriméter készülék, amely egy alapegységből és cserélhető modulokból áll. Az egyik modul gyorsuló sebességű kalorimetriára van előkészítve (ARC), a ARC-Modul. Egy második a pásztázó vizsgálatokra szolgál (Scanning Module), egy harmadik és negyedik pedig az akkumulátorok és polimerek, érmecellák farmakológiai vizsgálatához kapcsolódik (Coin Cell Module).MMC modult alkalmazunk: a pásztázó modult (lásd a 2. ábrát) a minták szűrésére, valamint a Gyorsuló sebességű kalorimetria (ARC)Az izotermikus és adiabatikus vizsgálati eljárásokat leíró módszer, amelyet a termikusan exoterm bomlási reakciók kimutatására használnak.ARC® modult (lásd a 3. ábrát) a Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search a kalorimetriás készülékekben alkalmazott mérési mód a gyorsuló sebességű kalorimetria (ARC®) szerint.heat-wait-search (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search a kalorimetriás készülékekben alkalmazott mérési mód a gyorsuló sebességű kalorimetria (ARC®) szerint.HWS) vizsgálatokhoz. Egy külső fűtőberendezésen keresztül, amely közvetlenül a mintaedényt veszi körül (4. ábra), a pásztázó modul állandó teljesítményt tud biztosítani a mintának.
Mérési feltételek
A hidrogén-peroxidot (Sigma Aldrich) vizes oldatként (35%) kaptuk, és szobahőmérsékleten tároltuk. A hidrogén-peroxid-oldatot a kapott formában használtuk fel, majd tisztított vízzel hígítottuk, hogy több alacsonyabb koncentrációt is megfigyelhessünk. A hígított minták összetételét az 1. és a 2. táblázat foglalja össze. A pásztázó és a Gyorsuló sebességű kalorimetria (ARC)Az izotermikus és adiabatikus vizsgálati eljárásokat leíró módszer, amelyet a termikusan exoterm bomlási reakciók kimutatására használnak.ARC® modulok mérési körülményeit a 3. táblázat hasonlítja össze.
1. táblázat: Szűrésre szánt mintaösszetételek (Szkennelési modulA kaloriméter modul a Multipe Module Calorimeter (MMC) része, amely lehetővé teszi a minta pásztázó vizsgálatát. Ez az eljárás szűrővizsgálatként szolgálhat a termikus veszélyeztetettségi potenciál ésszerűen rövid mérési időn belüli kimutatására.szkennelési modul)
| Minta száma | Minta Koncentráció/% | H2O2/g | H2O/g | Összesen/g |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 35 | 1.03106 | 0.0 | 1.03106 |
| 2 | 26 | 0.75757 | 0.25623 | 1.0138 |
| 3 | 17 | 0.5148 | 0.52494 | 1.03974 |
| 4 | 8.6 | 0.25169 | 0.7741 | 1.02579 |
| 5 | 4.3 | 0.12376 | 0.88605 | 1.00981 |
| 6 | 2.6 | 0.07316 | 0.92551 | 0.99867 |
| 7 | 1.1 | 0.03099 | 0.96707 | 0.99806 |
| 8 | 0.4 | 0.01215 | 1.00176 | 1.01391 |
2. táblázat: AdiabatikusAz adiabatikus olyan rendszert vagy mérési módot ír le, amelyben nincs hőcsere a környezettel. Ez az üzemmód a gyorsuló sebességű kalorimetria módszerének (ARC®) megfelelő kalorimetriás készülékkel valósítható meg. Egy ilyen készülék fő célja a forgatókönyvek és a termikus elszabaduló reakciók tanulmányozása. Az adiabatikus üzemmód rövid leírása a következő: "nincs hő befelé - nincs hő kifelé".Adiabatikus vizsgálathoz használt mintaösszetételek (Gyorsuló sebességű kalorimetria (ARC)Az izotermikus és adiabatikus vizsgálati eljárásokat leíró módszer, amelyet a termikusan exoterm bomlási reakciók kimutatására használnak.ARC® modul)
| Minta száma | Mintakoncentráció/% | H2O2/g | H2O/g | Összesen/g |
|---|---|---|---|---|
| 9 | 35 | 1.02157 | 0.0 | 1.02157 |
| 10 | 17 | 0.74935 | 0.52494 | 1.00359 |
| 11 | 8.6 | 0.51466 | 0.50962 | 1.02428 |
| 12 | 4.3 | 0.25036 | 0.77525 | 1.02561 |
| 13 | 2.6 | 0.14776 | 0.877248 | 1.02034 |
Tab 3: Mérési feltételek
| Többmodulos kaloriméter (MMC)Több üzemmódú kaloriméter készülék, amely egy alapegységből és cserélhető modulokból áll. Az egyik modul gyorsuló sebességű kalorimetriára van előkészítve (ARC), a ARC-Modul. Egy második a pásztázó vizsgálatokra szolgál (Scanning Module), egy harmadik és negyedik pedig az akkumulátorok és polimerek, érmecellák farmakológiai vizsgálatához kapcsolódik (Coin Cell Module).MMC modul | Szkennelés | |
| Tartály anyaga | Rozsdamentes acél | Rozsdamentes acél |
| Edény típusa | Zárt | Zárt |
| Edény tömege | 7.0-7,25 g | 7.0-7,25 g |
| Fűtés | Állandó teljesítmény (250 mW) | |
| Atmoszféra | Levegő | Levegő |
| Tisztítógáz-mennyiség | Statikus | Statikus |
| Hőmérséklet tartomány | RT ... 250°C | RT ... 250°C |
| A minta tömege | 998.67-1039,74 mg | 1003.6-1025,6 mg |
Eredmények és vita
A minták hőkapacitásának változásától függően az állandó bemeneti teljesítmény általában közel állandó fűtési sebességet eredményez a mintán. Az 5. ábra a hidrogén-peroxid (35%) melegítésének eredményét mutatja a pásztázó modul segítségével, 250 mW állandó bemeneti teljesítmény mellett. Az így kapott fűtési sebesség az első 60 percben körülbelül 1 K/perc. Egy óra elteltével a bomlási reakció beindul, és további hőt termel. A bomlási reakció során a fűtési sebesség 5,6 K/perc maximumra emelkedik, és a detektált nyomás is növekszik. Az 1. egyenlet szerint a bomlási reakció során oxigén keletkezik. A víz elpárolgása mellett ez a gázképződés a fő oka a fűtés során bekövetkező nyomásnövekedésnek.
A H2O2,H2Oés üres edény viselkedésének összehasonlítása
Az 5. ábrán látható eredmények kizárólag a minta felmelegedését mutatják be. Mivel a hidrogén-peroxid Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlási reakciója nem reverzibilis, a keletkezett oxigén nem kerül újra felvételre, hogy a hűtés során a kiindulási hidrogén-peroxidot képezze. Ehelyett a képződött víz- és oxigéntermékek folyadékként, illetve gázként hűlnek le a környezeti hőmérsékletre. A nyomásjel 40°C-on 17,7 bar-t mutat, ami a Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlás során keletkező oxigén mennyiségét tükrözi (6. ábra). Ha helyette ugyanezt a vízmennyiséget vesszük, a nyomás a melegítés során szintén megnő, de mivel a víz kémiailag változatlan marad, a hűtés során az összes vízgőz ismét kicsapódik. Ezért a szaggatott kék vonal, amely a víz hűtés közbeni nyomásjelét jelzi, a fűtéssel szinte azonos értékeket mutat (folytonos vonalak). Csak az összehasonlítás kedvéért a zöld vonalak a nyomásjel alakulását mutatják a fűtés és a hűtés során egy üres edény esetében.
H2O2 különböző koncentrációkkal
Különösen a vízzel összehasonlítva látható, hogy a párolgás - amely bizonyos mértékig még egy zárt edényrendszerben is előfordul - mindig visszafordítható. Ezt a lehűlés utáni 40°C-os nyomásjelzés is megerősíti. Másrészt a hidrogén-peroxid Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlási reakciója során meghatározott mennyiségű gáz keletkezik. Ezért a nyomásjel várhatóan arányos lesz az oldatban lévő hidrogén-peroxid abszolút mennyiségével. Ha ezeket a vizsgálatokat különböző hidrogén-peroxid-koncentrációjú mintákkal megismételjük, a vizsgálat során kialakuló nyomásnak arányosnak kell lennie a hidrogén-peroxid-koncentrációval. A 7. ábra összehasonlítja az 1-6. minták melegítési eredményeit. A kapcsolódó hidrogén-peroxid-koncentrációkat az 1. táblázat foglalja össze.
A H2O2-koncentráció és a nyomás közötti összefüggés
A hidrogén-peroxid Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlási reakcióját a mintán mért fűtési sebesség növekedése, valamint a nyomás növekedése jelzi. A 8. ábrán a reakció után és a 42 °C-ra történő lehűlés után fennmaradó nyomás jelét értékeljük. A nyomás szinte tökéletesen lineárisan korrelál a minta hidrogén-peroxid-koncentrációjával. Ez a korreláció a 9. ábrán látható.
Különböző H2O2-koncentrációk aARC® modul segítségével vizsgálva Modul
Különböző H2O2-koncentrációk vizsgálata a Gyorsuló sebességű kalorimetria (ARC)Az izotermikus és adiabatikus vizsgálati eljárásokat leíró módszer, amelyet a termikusan exoterm bomlási reakciók kimutatására használnak.ARC® modullalA vizes hidrogén-peroxid-koncentrációk hasonló sorozatát vizsgáltuk az Többmodulos kaloriméter (MMC)Több üzemmódú kaloriméter készülék, amely egy alapegységből és cserélhető modulokból áll. Az egyik modul gyorsuló sebességű kalorimetriára van előkészítve (ARC), a ARC-Modul. Egy második a pásztázó vizsgálatokra szolgál (Scanning Module), egy harmadik és negyedik pedig az akkumulátorok és polimerek, érmecellák farmakológiai vizsgálatához kapcsolódik (Coin Cell Module).MMC Gyorsuló sebességű kalorimetria (ARC)Az izotermikus és adiabatikus vizsgálati eljárásokat leíró módszer, amelyet a termikusan exoterm bomlási reakciók kimutatására használnak.ARC® moduljával (3. ábra). A kapcsolódó hidrogén-peroxid-koncentrációkat a 2. táblázat foglalja össze. A Gyorsuló sebességű kalorimetria (ARC)Az izotermikus és adiabatikus vizsgálati eljárásokat leíró módszer, amelyet a termikusan exoterm bomlási reakciók kimutatására használnak.ARC® modult a Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlás kezdetének hőmérsékletének konkrét meghatározására lehet használni az úgynevezett Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search a kalorimetriás készülékekben alkalmazott mérési mód a gyorsuló sebességű kalorimetria (ARC®) szerint.heat-wait-search (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search a kalorimetriás készülékekben alkalmazott mérési mód a gyorsuló sebességű kalorimetria (ARC®) szerint.HWS) program segítségével. A fűtés, kiegyenlítés és detektálás sorozat segítségével kvázi-izoterm körülmények között meghatározható a minta önmelegedési sebessége, majd a minta vizsgálata AdiabatikusAz adiabatikus olyan rendszert vagy mérési módot ír le, amelyben nincs hőcsere a környezettel. Ez az üzemmód a gyorsuló sebességű kalorimetria módszerének (ARC®) megfelelő kalorimetriás készülékkel valósítható meg. Egy ilyen készülék fő célja a forgatókönyvek és a termikus elszabaduló reakciók tanulmányozása. Az adiabatikus üzemmód rövid leírása a következő: "nincs hő befelé - nincs hő kifelé".adiabatikus üzemmódban történik [1, 2].
A 10. ábrán 35%, 17% és 8,6% hidrogén-peroxid-koncentrációra kapott eredményeket mutatjuk be. A várakozásoknak megfelelően az eredmények megerősítik a kisebb hidrogén-peroxid-koncentrációk esetén kisebb hőmérsékletnövekedést (ΔTobs) AdiabatikusAz adiabatikus olyan rendszert vagy mérési módot ír le, amelyben nincs hőcsere a környezettel. Ez az üzemmód a gyorsuló sebességű kalorimetria módszerének (ARC®) megfelelő kalorimetriás készülékkel valósítható meg. Egy ilyen készülék fő célja a forgatókönyvek és a termikus elszabaduló reakciók tanulmányozása. Az adiabatikus üzemmód rövid leírása a következő: "nincs hő befelé - nincs hő kifelé".adiabatikus körülmények között. A bomlási reakció észlelési hőmérséklete (kezdete) alacsonyabb koncentrációk esetén a kisebb energiafelszabadulás miatt nő (90°C és 110°C). Az 5%-nál kisebb hidrogén-peroxid-koncentrációk esetén a maximális önmelegedési sebesség kevesebb, mint 0,02 K/perc. Ezért ilyen esetben nem észlelünk exoterm eseményeket. A 11. ábrán több Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search a kalorimetriás készülékekben alkalmazott mérési mód a gyorsuló sebességű kalorimetria (ARC®) szerint.HWS-vizsgálat AdiabatikusAz adiabatikus olyan rendszert vagy mérési módot ír le, amelyben nincs hőcsere a környezettel. Ez az üzemmód a gyorsuló sebességű kalorimetria módszerének (ARC®) megfelelő kalorimetriás készülékkel valósítható meg. Egy ilyen készülék fő célja a forgatókönyvek és a termikus elszabaduló reakciók tanulmányozása. Az adiabatikus üzemmód rövid leírása a következő: "nincs hő befelé - nincs hő kifelé".adiabatikus szakaszai során észlelt hőmérséklet-növekedési lépések (ΔTobs) láthatók.
Következtetés
Ezek az eredmények jól mutatják az MMC szkennelőmodul szűrési képességét. Erősen exoterm reakciók esetén az önmelegedés sebessége az állandó teljesítménybevitel következtében jelentősen - nagyjából 1 K/perc szint fölé - megnő. Így ha egy ismeretlen minta exoterm Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlási reakciót mutat, az néhány órán belül felismerhető. Amint a veszélyes potenciál felismerésre kerül, ajánlott egy AdiabatikusAz adiabatikus olyan rendszert vagy mérési módot ír le, amelyben nincs hőcsere a környezettel. Ez az üzemmód a gyorsuló sebességű kalorimetria módszerének (ARC®) megfelelő kalorimetriás készülékkel valósítható meg. Egy ilyen készülék fő célja a forgatókönyvek és a termikus elszabaduló reakciók tanulmányozása. Az adiabatikus üzemmód rövid leírása a következő: "nincs hő befelé - nincs hő kifelé".adiabatikus vizsgálatot végezni egy MMC Gyorsuló sebességű kalorimetria (ARC)Az izotermikus és adiabatikus vizsgálati eljárásokat leíró módszer, amelyet a termikusan exoterm bomlási reakciók kimutatására használnak.ARC® modul segítségével [1]. Egy ilyen Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search a kalorimetriás készülékekben alkalmazott mérési mód a gyorsuló sebességű kalorimetria (ARC) szerint.HWS-vizsgálat könnyen egy teljes napot is igénybe vehet, másrészt viszont sokkal inkább a termikus egyensúly szempontjából releváns, mint egy pásztázó vizsgálat [2].
Ezen túlmenően a fent bemutatott eredmények szépen bizonyítják a nyomásjel hasznosságát. A 250 mW állandó bemeneti teljesítmény körülbelül 1 K/perc fűtési sebességet tesz lehetővé 1 g vizes minta esetén. Az 5%-nál kisebb hidrogén-peroxid-koncentrációjú minták a bomlási reakció során felszabaduló energia révén nem lépik túl ezt a fűtési sebességet. Ez azt jelenti, hogy a minta önmelegedési sebessége révén a Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlási reakciót alacsony koncentráció esetén a felvett teljesítmény elfedi. A nyomásjelet ezzel szemben nem befolyásolja a bemenő teljesítmény. Ezért jelentős indikátornak tekinthető arra vonatkozóan, hogy történt-e bomlási reakció vagy sem, különösen az alacsonyabb koncentrációk esetében.