Potenziale di pericolo delle reazioni di decomposizione con l'esempio del perossido di idrogeno (H2O2)

Perossido di idrogeno

Il perossido di idrogeno puro (_H2O2) è un liquido di colore blu pallido, miscelabile in qualsiasi rapporto con l'acqua. Le soluzioni acquose a bassa percentuale sono ampiamente utilizzate come agenti sbiancanti grazie alle loro forti proprietà ossidanti. Oltre che per lo sbiancamento di legno, carta o capelli, le soluzioni di perossido di idrogeno sono utilizzate anche come agenti ossidanti o in campo medico come disinfettanti. La tendenza del perossido di idrogeno a decomporsi in acqua e ossigeno (si veda l'equazione 1 qui sotto) è il motivo della sua applicazione come propellente liquido nei motori a razzo.

Calorimetro a moduli multipli (MMC)

Il calorimetro a moduli multipli NETZSCH Calorimetro a moduli multipli (MMC)Un dispositivo calorimetrico a modalità multipla costituito da un'unità di base e da moduli intercambiabili. Un modulo è predisposto per la calorimetria a velocità accelerata (ARC), il modulo ARC. Un secondo è utilizzato per i test di scansione (Scanning Module) e un terzo è relativo ai test sulle batterie per celle a moneta (Coin Cell Module).MMC 274 Nexus^® (figura 1) offre tre diversi moduli di misurazione [1]. Il modulo ARC^® può essere utilizzato per studi sui rischi termici; il modulo Coin-Cell è specializzato per lo studio delle batterie; il modulo Scanning può essere utilizzato per valutare i dati calorici di un singolo riscaldamento. A differenza della tecnica ampiamente utilizzata e conosciuta della calorimetria a scansione differenziale (DSC), il Modulo di scansioneUn modulo calorimetrico facente parte del Calorimetro Multiplo (MMC) che consente di eseguire un test di scansione di un campione. Questa procedura può servire come test di screening per rilevare un potenziale pericolo termico in un tempo di misurazione ragionevolmente breve.modulo di scansione dell'Calorimetro a moduli multipli (MMC)Un dispositivo calorimetrico a modalità multipla costituito da un'unità di base e da moduli intercambiabili. Un modulo è predisposto per la calorimetria a velocità accelerata (ARC), il modulo ARC. Un secondo è utilizzato per i test di scansione (Scanning Module) e un terzo è relativo ai test sulle batterie per celle a moneta (Coin Cell Module).MMC può gestire campioni fino a un volume di 2 ml. Per il riscaldamento dei campioni sono disponibili due opzioni: una velocità di riscaldamento costante o un livello di potenza costante. Utilizzando le informazioni sulla potenza fornita al campione e sulla velocità di riscaldamento, è possibile calcolare un segnale di flusso di calore. Utilizzando metalli come l'indio, lo stagno e il bismuto, è possibile determinare sia la temperatura che la sensibilità dello strumento. Con 1000-9000 mg (volume del campione di circa 1 ml), le masse tipiche del campione sono notevolmente più elevate per l'Calorimetro a moduli multipli (MMC)Un dispositivo calorimetrico a modalità multipla costituito da un'unità di base e da moduli intercambiabili. Un modulo è predisposto per la calorimetria a velocità accelerata (ARC), il modulo ARC. Un secondo è utilizzato per i test di scansione (Scanning Module) e un terzo è relativo ai test sulle batterie per celle a moneta (Coin Cell Module).MMC rispetto alle masse del campione utilizzate per la DSC, che sono in genere comprese tra 5 e 10 mg. Tuttavia, l'incertezza valutata per il Modulo di scansioneUn modulo calorimetrico facente parte del Calorimetro Multiplo (MMC) che consente di eseguire un test di scansione di un campione. Questa procedura può servire come test di screening per rilevare un potenziale pericolo termico in un tempo di misurazione ragionevolmente breve.modulo di scansione della Calorimetro a moduli multipli (MMC)Un dispositivo calorimetrico a modalità multipla costituito da un'unità di base e da moduli intercambiabili. Un modulo è predisposto per la calorimetria a velocità accelerata (ARC), il modulo ARC. Un secondo è utilizzato per i test di scansione (Scanning Module) e un terzo è relativo ai test sulle batterie per celle a moneta (Coin Cell Module).MMC è di circa l'1% per le determinazioni di temperatura e meno del 5% per le determinazioni di entalpia.

Questo lavoro studia il comportamento di Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione termica del perossido di idrogeno (35%) utilizzando due moduli Calorimetro a moduli multipli (MMC)Un dispositivo calorimetrico a modalità multipla costituito da un'unità di base e da moduli intercambiabili. Un modulo è predisposto per la calorimetria a velocità accelerata (ARC), il modulo ARC. Un secondo è utilizzato per i test di scansione (Scanning Module) e un terzo è relativo ai test sulle batterie per celle a moneta (Coin Cell Module).MMC, il Modulo di scansioneUn modulo calorimetrico facente parte del Calorimetro Multiplo (MMC) che consente di eseguire un test di scansione di un campione. Questa procedura può servire come test di screening per rilevare un potenziale pericolo termico in un tempo di misurazione ragionevolmente breve.modulo di scansione (vedi figura 2) e il modulo ARC^® (vedi figura 3). Tramite un riscaldatore esterno che circonda direttamente il recipiente del campione (figura 4), il Modulo di scansioneUn modulo calorimetrico facente parte del Calorimetro Multiplo (MMC) che consente di eseguire un test di scansione di un campione. Questa procedura può servire come test di screening per rilevare un potenziale pericolo termico in un tempo di misurazione ragionevolmente breve.modulo di scansione può fornire al campione un livello di potenza costante.

Condizioni di misura

Le condizioni di misurazione sono riassunte nella tabella 1. Il perossido di idrogeno (Sigma Aldrich) è stato ricevuto in soluzione acquosa (35%) e conservato a temperatura ambiente.

Tabella 1: Condizioni di misura

Confronto del comportamento di _H2O2,_H2Oe vaso vuoto

I risultati della figura 5 presentano esclusivamente il riscaldamento del campione. Poiché la Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. reazione di decomposizione del perossido di idrogeno non è reversibile, l'ossigeno generato non viene ripreso per formare il perossido di idrogeno iniziale durante il raffreddamento. Invece, i prodotti formati di acqua e ossigeno si raffreddano a temperatura ambiente rispettivamente come liquido e come gas. Il segnale di pressione indica 17,7 bar a 40°C, che riflette la quantità di ossigeno che si forma durante la Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione (figura 6). Prendendo invece la stessa quantità di acqua, la pressione aumenta anche durante il riscaldamento, ma poiché l'acqua rimane chimicamente invariata, tutto il vapore acqueo precipita nuovamente durante il raffreddamento. Ecco perché la linea blu tratteggiata, che indica il segnale di pressione per l'acqua durante il raffreddamento, mostra valori quasi identici a quelli del riscaldamento (linee solide). A titolo di confronto, le linee verdi mostrano l'andamento del segnale di pressione durante il riscaldamento e il raffreddamento per un recipiente vuoto.

Vantaggi del modulo di scansione

Questi risultati ottenuti dal Modulo di scansioneUn modulo calorimetrico facente parte del Calorimetro Multiplo (MMC) che consente di eseguire un test di scansione di un campione. Questa procedura può servire come test di screening per rilevare un potenziale pericolo termico in un tempo di misurazione ragionevolmente breve.modulo di scansione MMC dimostrano chiaramente che l'andamento discontinuo della velocità di riscaldamento e l'aumento della pressione sono ottimi indicatori del potenziale di pericolo in termini di Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. reazioni di decomposizione o reazioni esotermiche. Anche con un livello di potenza small di 250 mW, che comporta una velocità di riscaldamento comparabile a small di circa 1 K/min, il riscaldamento per questa misura esemplare richiede meno di 4 ore. Pertanto, il Modulo di scansioneUn modulo calorimetrico facente parte del Calorimetro Multiplo (MMC) che consente di eseguire un test di scansione di un campione. Questa procedura può servire come test di screening per rilevare un potenziale pericolo termico in un tempo di misurazione ragionevolmente breve.modulo di scansione MMC è adatto a essere utilizzato come strumento di screening. Nei casi in cui si rilevi un aumento di pressione e/o di temperatura, il passo successivo dovrebbe essere un test AdiabaticoL'adiabatico descrive un sistema o una modalità di misurazione senza alcuno scambio di calore con l'ambiente circostante. Questa modalità può essere realizzata utilizzando un dispositivo calorimetrico secondo il metodo della calorimetria a velocità accelerata (ARC). Lo scopo principale di tale dispositivo è quello di studiare scenari e reazioni di fuga termica. Una breve descrizione della modalità adiabatica è "nessun calore in entrata - nessun calore in uscita".adiabatico.

Calorimetria a velocità accelerata

I calorimetri specializzati consentono di analizzare i campioni secondo il metodo della calorimetria accelerata (ARC^®). Un'apparecchiatura del tipo ARC^® offre un ambiente AdiabaticoL'adiabatico descrive un sistema o una modalità di misurazione senza alcuno scambio di calore con l'ambiente circostante. Questa modalità può essere realizzata utilizzando un dispositivo calorimetrico secondo il metodo della calorimetria a velocità accelerata (ARC). Lo scopo principale di tale dispositivo è quello di studiare scenari e reazioni di fuga termica. Una breve descrizione della modalità adiabatica è "nessun calore in entrata - nessun calore in uscita".adiabatico per il campione, in modo da non consentire alcuno scambio di calore e rilevare anche le smallest reazioni di autoriscaldamento. La modalità di misurazione tipica è chiamata heatwait-search (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search è una modalità di misurazione utilizzata nei dispositivi calorimetrici secondo la calorimetria a velocità accelerata (ARC).HWS). La sequenza di riscaldamento,libraequalizzazione e rilevamento anche della smallpiù piccola variazione di temperatura autoindotta è un approccio quasi IsotermicoI test a temperatura controllata e costante sono detti isotermici.isotermico utilizzato per determinare la temperatura di inizio della Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. reazione di decomposizione. La figura 7 mostra un diagramma che illustra Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search è una modalità di misurazione utilizzata nei dispositivi calorimetrici secondo la calorimetria a velocità accelerata (ARC).heat-wait-search.

La figura 3 mostra una sezione trasversale del set-up del modulo ARC^® di MMC. Se la velocità di autoriscaldamento di 0,02 K/min viene superata durante il periodo di rilevamento (search), la misurazione passa dalla modalità Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search è una modalità di misurazione utilizzata nei dispositivi calorimetrici secondo la calorimetria a velocità accelerata (ARC).heat-wait-search a quella adiabatica. Ciò significa che i riscaldatori circostanti (superiore, laterale e inferiore) non seguono più la sequenza sopra descritta, ma seguono la temperatura del campione. Durante questa modalità "adiabatica", non vi è alcuna differenza di temperatura e quindi nessuno scambio di calore tra il campione e l'ambiente del calorimetro.

_H2O2 nel modulo ARC^®

La Figura 8 mostra i risultati della Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione del perossido di idrogeno (35%) analizzata con il modulo ARC^® della MMC utilizzando la modalità Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search è una modalità di misurazione utilizzata nei dispositivi calorimetrici secondo la calorimetria a velocità accelerata (ARC).heat-wait-search. L'incremento di temperatura nel riscaldamento graduale è stato di 10 K e il sistema è stato lasciato stabilizzare per 30 minuti durante il segmento di attesa. La risposta alla domanda se viene rilevato o meno un evento EsotermicoUna transizione campionaria o una reazione è esotermica se viene generato calore.esotermico durante il periodo di 10 minuti search dipende dalla Soglia esotermicaLa soglia esotermica è un valore per la velocità di autoriscaldamento di un campione (in genere 0,02 K/min) che determina il rilevamento o meno di un evento esotermico nell'ambito di un esperimento che utilizza un dispositivo calorimetrico secondo la calorimetria accelerata (ARC). soglia esotermica. Tra 40°C e 70°C, l'autoriscaldamento durante il periodo search era inferiore a 0,02 K/min e la sequenza calore-attesa-search continuava. A 80°C, l'autoriscaldamento rilevato ha superato la soglia e il calorimetro è passato alla modalità adiabatica. L'aumento di temperatura (ΔTobs) è stato rilevato pari a 41,5 K. Tenendo conto dell'Inerzia termicaL'inerzia termica è equivalente al fattore PHI. Entrambi descrivono il rapporto tra la massa e la capacità termica specifica di un campione o di una miscela di campioni rispetto a quella del recipiente o del contenitore del campione.inerzia termica [1], l'aumento di temperatura AdiabaticoL'adiabatico descrive un sistema o una modalità di misurazione senza alcuno scambio di calore con l'ambiente circostante. Questa modalità può essere realizzata utilizzando un dispositivo calorimetrico secondo il metodo della calorimetria a velocità accelerata (ARC). Lo scopo principale di tale dispositivo è quello di studiare scenari e reazioni di fuga termica. Una breve descrizione della modalità adiabatica è "nessun calore in entrata - nessun calore in uscita".adiabatico è stato calcolato pari a 94,9 K (ΔTad). La differenza si basa sul cosiddetto Fattore PHIIl fattore PHI (Φ) è equivalente all'inerzia termica. Entrambi descrivono il rapporto tra la massa e la capacità termica specifica di un campione o di una miscela di campioni rispetto a quella del recipiente o del contenitore del campione. fattore PHI, che è dato principalmente dal rapporto tra la massa per laCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica del contenitore e la massa per laCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica del campione. Oltre all'aumento di temperatura causato dall'autoriscaldamento del campione durante la Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione, è possibile quantificare anche l'aumento di pressione. Alla fine del segmento AdiabaticoL'adiabatico descrive un sistema o una modalità di misurazione senza alcuno scambio di calore con l'ambiente circostante. Questa modalità può essere realizzata utilizzando un dispositivo calorimetrico secondo il metodo della calorimetria a velocità accelerata (ARC). Lo scopo principale di tale dispositivo è quello di studiare scenari e reazioni di fuga termica. Una breve descrizione della modalità adiabatica è "nessun calore in entrata - nessun calore in uscita".adiabatico, l'aumento di pressione era superiore a 20 bar.

Conclusione

Il comportamento di Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione di una soluzione acquosa di perossido di idrogeno al 35% è stato studiato con il Modulo di scansioneUn modulo calorimetrico facente parte del Calorimetro Multiplo (MMC) che consente di eseguire un test di scansione di un campione. Questa procedura può servire come test di screening per rilevare un potenziale pericolo termico in un tempo di misurazione ragionevolmente breve.modulo di scansione dell'MMC e con il suo modulo ARC^®. Poiché il Modulo di scansioneUn modulo calorimetrico facente parte del Calorimetro Multiplo (MMC) che consente di eseguire un test di scansione di un campione. Questa procedura può servire come test di screening per rilevare un potenziale pericolo termico in un tempo di misurazione ragionevolmente breve.modulo di scansione funziona con un livello di potenza costante (come in questo caso) o con una velocità di riscaldamento costante, questi esperimenti richiedono molto meno tempo che con il metodo heat-wait-search. Pertanto, il Modulo di scansioneUn modulo calorimetrico facente parte del Calorimetro Multiplo (MMC) che consente di eseguire un test di scansione di un campione. Questa procedura può servire come test di screening per rilevare un potenziale pericolo termico in un tempo di misurazione ragionevolmente breve.modulo di scansione è un eccellente strumento di screening per indagare su campioni sconosciuti per quanto riguarda l'autodecomposizione o il potenziale di pericolo. Nel caso in cui un campione analizzato mostri un comportamento instabile della temperatura durante l'esecuzione della scansione, o nel caso in cui una Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. reazione di decomposizione sia indicata dall'aumento di pressione, qualsiasi ulteriore indagine sui campioni dovrebbe essere effettuata utilizzando un'apparecchiatura di tipo ARC^®. Valori come l'aumento di pressione e l'aumento di temperatura osservato e AdiabaticoL'adiabatico descrive un sistema o una modalità di misurazione senza alcuno scambio di calore con l'ambiente circostante. Questa modalità può essere realizzata utilizzando un dispositivo calorimetrico secondo il metodo della calorimetria a velocità accelerata (ARC). Lo scopo principale di tale dispositivo è quello di studiare scenari e reazioni di fuga termica. Una breve descrizione della modalità adiabatica è "nessun calore in entrata - nessun calore in uscita".adiabatico sono estremamente importanti per valutare il potenziale di pericolosità delle sostanze chimiche e possono essere facilmente ottenuti con il calorimetro a moduli multipli NETZSCH MMC 274 Nexus^®.