과산화수소
순수한 과산화수소(H2O2)는 옅은 파란색 액체로 물과 어떤 비율로든 혼합할 수 있습니다. 저농도 수용액은 강력한 산화 특성으로 인해 표백제로 널리 사용됩니다. 목재, 종이 또는 머리카락의 표백 외에도 과산화수소 용액은 산화제 또는 소독제로 의료용으로도 사용됩니다. 과산화수소가 물과 산소로 분해되는 경향(아래 방정식 1)은 로켓 엔진의 액체 추진제로 사용되는 이유이기도 합니다.
다중 모듈 열량계(MMC)와 시차 주사 열량계(DSC) 비교( )
NETZSCH 다중 모듈 열량계 다중 모듈 열량계(MMC)기본 장치와 교체 가능한 모듈로 구성된 다중 모드 열량계 장치입니다. 하나의 모듈은 가속 속도 열량 측정(ARC), ARC-모듈을 위해 준비되어 있습니다. 두 번째 모듈은 스캐닝 테스트에 사용되며(스캐닝 모듈), 세 번째 모듈은 코인 셀의 배터리 테스트와 관련이 있습니다(코인 셀 모듈).MMC 274 Nexus® (그림 1)는 세 가지 측정 모듈을 제공합니다[1]. ARC® 모듈은 열 위험 연구에 사용할 수 있고, 코인셀 모듈은 배터리 조사에 특화되어 있으며, 스캐닝 모듈은 단일 가열 실행에서 열량 데이터를 평가하는 데 사용할 수 있습니다. 널리 사용되고 잘 알려진 차동 주사 열량 측정(DSC) 기술과 달리, 다중 모듈 열량계(MMC)기본 장치와 교체 가능한 모듈로 구성된 다중 모드 열량계 장치입니다. 하나의 모듈은 가속 속도 열량 측정(ARC), ARC-모듈을 위해 준비되어 있습니다. 두 번째 모듈은 스캐닝 테스트에 사용되며(스캐닝 모듈), 세 번째 모듈은 코인 셀의 배터리 테스트와 관련이 있습니다(코인 셀 모듈).MMC의 스캐닝 모듈은 최대 2ml 부피의 시료를 처리할 수 있습니다. 시료를 가열할 때는 일정한 가열 속도 또는 일정한 수준의 전력이라는 두 가지 옵션을 사용할 수 있습니다. 시료에 공급되는 전력과 가열 속도에 대한 정보를 모두 사용하여 열 흐름 신호를 계산할 수 있습니다. 인듐, 주석, 비스무트와 같은 금속을 사용하여 기기의 온도와 감도를 모두 측정할 수 있습니다. 1000~9000mg(시료 부피 약 1ml)의 일반적인 시료 질량은 일반적으로 5~10mg인 DSC에 사용되는 시료 질량에 비해 다중 모듈 열량계(MMC)기본 장치와 교체 가능한 모듈로 구성된 다중 모드 열량계 장치입니다. 하나의 모듈은 가속 속도 열량 측정(ARC), ARC-모듈을 위해 준비되어 있습니다. 두 번째 모듈은 스캐닝 테스트에 사용되며(스캐닝 모듈), 세 번째 모듈은 코인 셀의 배터리 테스트와 관련이 있습니다(코인 셀 모듈).MMC의 경우 상당히 높습니다. 그럼에도 불구하고 다중 모듈 열량계(MMC)기본 장치와 교체 가능한 모듈로 구성된 다중 모드 열량계 장치입니다. 하나의 모듈은 가속 속도 열량 측정(ARC), ARC-모듈을 위해 준비되어 있습니다. 두 번째 모듈은 스캐닝 테스트에 사용되며(스캐닝 모듈), 세 번째 모듈은 코인 셀의 배터리 테스트와 관련이 있습니다(코인 셀 모듈).MMC의 스캐닝 모듈에 대한 평가된 불확도는 온도 측정의 경우 약 1%, 엔탈피 측정의 경우 5% 미만입니다.
스캔 모듈 및 ARC® 모듈
이 연구에서는 다양한 농도의 과산화수소 수용액의 열분해 거동을 연구합니다. 이 연구에는 두 개의 MMC 모듈, 즉 샘플 스크리닝을 위한 스캐닝 모듈(그림 2 참조)과 Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search 는 가속 속도 열량 측정에 따라 열량계 장치에서 사용되는 측정 모드입니다(ARC).heat-wait-search (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search 는 가속 속도 열량 측정에 따라 열량계 장치에서 사용되는 측정 모드입니다(ARC).HWS) 연구를 위한 ARC® 모듈(그림 3 참조)이 사용됩니다. 스캐닝 모듈은 샘플 용기를 직접 둘러싸는 외부 히터(그림 4)를 통해 샘플에 일정한 수준의 전력을 공급할 수 있습니다.
측정 조건
과산화수소(시그마 알드리치)를 수용액(35%)으로 받아 상온에서 보관했습니다. 과산화수소 용액은 받은 대로 사용했으며 몇 가지 낮은 농도를 관찰하기 위해 정제수로 희석했습니다. 희석된 샘플의 구성은 표 1과 표 2에 요약되어 있습니다. 스캐닝 모듈과 ARC® 모듈의 측정 조건은 표 3에 비교되어 있습니다.
탭 1: 스크리닝을 위한 샘플 구성(스캐닝 모듈)
| 샘플 번호 | 샘플 농도/% | H2O2/g | H2O/g | 총/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 |
탭 2: 단열 테스트용 샘플 구성(ARC® 모듈)
| 샘플 번호 | 샘플 농도/% | H2O2/g | H2O/g | 총/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 |
탭 3: 측정 조건
MMC 274 Nexus® | ||
|---|---|---|
| MMC 모듈 | 스캐닝 | ARC® |
| 용기 재질 | 스테인리스 스틸 | 스테인리스 스틸 |
| 용기 유형 | Closed | Closed |
| 용기 질량 | 7.0 ~ 7.25 g | 7.0 ~ 7.25g |
| 난방 | 정전력(250mW) | Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search 는 가속 속도 열량 측정에 따라 열량계 장치에서 사용되는 측정 모드입니다(ARC).HWS |
| 대기 | 공기 | 공기 |
| 퍼지 가스 속도 | Static | 정적 |
| 온도 범위 | RT ... 250°C | RT ... 250°C |
| 시료 질량 | 998.67 ~ 1039.74 mg | 1003.6 ~ 1025.6 mg |
결과 및 토론
시료의 열용량 변화에 따라 전원을 일정하게 입력하면 일반적으로 시료의 가열 속도가 거의 일정하게 유지됩니다. 그림 5는 250mW의 일정한 전원 입력에서 스캐닝 모듈을 사용하여 과산화수소(35%)를 가열한 결과를 보여줍니다. 결과 가열 속도는 처음 60분 동안 약 1K/min입니다. 1시간이 지나면 분해 반응이 시작되어 추가 열이 발생합니다. 분해 반응이 진행되는 동안 가열 속도는 최대 5.6 K/min까지 상승하고 감지된 압력도 함께 상승합니다. 방정식 1에 따르면, 분해 반응은 산소를 생성합니다. 물의 증발 외에도 이 가스 형성은 가열 중 압력 상승의 주요 원인입니다.
H2O2, H2O및 빈 용기의 거동 비교
그림 5의 결과는 시료 가열만을 나타냅니다. 과산화수소의 분해 반응은 가역적이지 않기 때문에 냉각 중에 초기 과산화수소를 형성하기 위해 생성된 산소가 다시 흡수되지 않습니다. 대신 형성된 물과 산소의 생성물은 각각 액체와 기체 상태로 주변 온도로 냉각됩니다. 압력 신호는 40°C에서 17.7bar를 나타내며, 이는 분해 중에 형성되는 산소의 양을 반영합니다(그림 6). 대신 같은 양의 물을 넣으면 가열하는 동안 압력도 증가하지만 물은 화학적으로 변하지 않기 때문에 냉각하는 동안 모든 수증기가 다시 침전됩니다. 그렇기 때문에 냉각 중 물의 압력 신호를 나타내는 파란색 점선은 가열 시(실선)와 거의 동일한 값을 나타냅니다. 비교를 위해 녹색 선은 빈 용기에 대한 가열 및 냉각 중 압력 신호의 진행 과정을 보여줍니다.
다양한 농도의 H2O2
특히 물과 비교할 때, 밀폐된 용기 시스템 내부에서도 어느 정도 발생하는 증발은 항상 가역적이라는 것을 알 수 있습니다. 이는 냉각 후 40°C에서 압력 신호로 확인할 수 있습니다. 반면에 과산화수소의 분해 반응은 특정 양의 가스를 생성합니다. 따라서 압력 신호는 용액 내부의 과산화수소의 절대 양에 비례할 것으로 예상됩니다. 다양한 과산화수소 농도의 샘플로 이 테스트를 반복할 때 테스트 중 축적되는 압력은 과산화수소 농도에 비례해야 합니다. 그림 7은 시료 1부터 6까지의 가열 결과를 비교한 것입니다. 관련 과산화수소 농도는 표 1에 요약되어 있습니다.
H2O2 농도와 압력의 상관관계
과산화수소의 분해 반응은 시료에서 측정된 가열 속도의 증가와 압력의 축적으로 표시됩니다. 그림 8에서는 반응 후 42°C로 냉각된 후 남은 압력의 신호를 평가합니다. 시료의 과산화수소 농도와 압력은 거의 완벽하게 선형적인 상관관계가 있습니다. 이 상관관계는 그림 9에 나와 있습니다.
ARC® 모듈로 조사한 다양한 농도의 H2O2
ARC® 모듈로 조사한 다양한 농도의 H2O2 유사한 일련의 수성 과산화수소 농도도 MMC의 ARC® 모듈을 사용하여 조사했습니다(그림 3). 관련 과산화수소 농도는 표 2에 요약되어 있습니다. ARC® 모듈은 소위 Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search 는 가속 속도 열량 측정에 따라 열량계 장치에서 사용되는 측정 모드입니다(ARC).heat-wait-search (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search 는 가속 속도 열량 측정에 따라 열량계 장치에서 사용되는 측정 모드입니다(ARC).HWS) 프로그램을 통해 분해 시작 온도를 구체적으로 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 가열, 평형화 및 검출 순서를 통해 준등온 조건에서 시료의 자체 가열 속도를 측정한 다음 단열 모드에서 시료를 조사합니다[1, 2].
35%, 17%, 8.6%의 과산화수소 농도에 대한 결과가 그림 10에 나와 있습니다. 예상대로 단열 조건에서 과산화수소 농도가 낮을수록 온도 상승(ΔTobs)이 더 작아지는 것을 확인할 수 있습니다. 분해 반응이 감지되는 온도(시작)는 낮은 농도(90°C 및 110°C)에서 더 낮은 에너지 방출로 인해 증가합니다. 과산화수소 농도가 5% 미만인 경우 최대 자체 가열 속도는 0.02 K/min 미만입니다. 그렇기 때문에 이러한 경우 발열 이벤트가 감지되지 않습니다. 여러 Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search 는 가속 속도 열량 측정에 따라 열량계 장치에서 사용되는 측정 모드입니다(ARC).HWS 테스트의 단열 구간에서 감지된 온도 상승 단계(ΔTobs)는 그림 11에 나와 있습니다.
결론
이러한 결과는 MMC 스캐닝 모듈의 스크리닝 기능을 잘 보여줍니다. 강한 발열 반응의 경우, 일정한 전력 입력으로 인해 자체 가열 속도가 약 1K/min 수준 이상으로 크게 증가합니다. 따라서 미지의 시료가 발열 분해 반응을 보일 경우 몇 시간 내에 이를 인지할 수 있습니다. 위험 가능성이 인지되는 즉시 MMC ARC® 모듈[1]을 사용하여 단열 테스트를 실시하는 것이 좋습니다. 이러한 단열 테스트는 하루 종일 걸릴 수 있지만, 반면에 스캐닝 테스트보다 열 평형에 훨씬 더 적합합니다[2].
또한 위에 제시된 결과는 압력 신호의 유용성을 잘 보여줍니다. 250mW의 일정한 전력 입력은 1g의 수성 시료에 대해 약 1K/min의 가열 속도를 가능하게 합니다. 과산화수소 농도가 5% 미만인 시료는 분해 반응 중에 방출되는 에너지로 인해 이 가열 속도를 초과하지 않습니다. 즉, 시료의 자체 가열 속도를 통해 낮은 농도의 분해 반응은 전원 입력에 의해 가려집니다. 반면 압력 신호는 전원 입력의 영향을 받지 않습니다. 따라서 특히 낮은 농도의 경우 분해 반응이 발생했는지 여부에 대한 중요한 지표로 사용할 수 있습니다.