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 참조)은 로켓 엔진의 액체 추진제로 사용되는 이유이기도 합니다.
(방정식 1)

다중 모듈 열량계(MMC)
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.
이 연구에서는 스캐닝 모듈(그림 2 참조)과 ARC® 모듈(그림 3 참조)이라는 두 개의 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 모듈을 사용하여 과산화수소(35%)의 열분해 거동을 연구합니다. 스캐닝 모듈은 샘플 용기를 직접 둘러싸는 외부 히터(그림 4)를 통해 샘플에 일정한 수준의 전력을 공급할 수 있습니다.




측정 조건
측정 조건은 표 1에 요약되어 있습니다. 과산화수소(시그마 알드리치)는 수용액(35%)으로 받았으며 상온에서 보관합니다.
표 1: 측정 조건
MMC 274 Nexus® | ||
---|---|---|
MMC 모듈 | 스캐닝 | ARC® |
용기 재질 | 스테인리스 스틸 | 스테인리스 스틸 |
용기 유형 | Closed | Closed |
용기 질량 | 7176.38 mg | 7233.59 mg |
난방 | 일정한 전력(250mW) | Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search 는 가속 속도 열량 측정에 따라 열량계 장치에서 사용되는 측정 모드입니다(ARC).HWS |
분위기 | 공기 | 공기 |
퍼지 가스 속도 | Static | 정적 |
온도 범위 | RT...250°C | RT...250°C |
시료 질량 | 1031.1 mg | 1008.1 mg |
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.


스캐닝 모듈의 장점
MMC 스캐닝 모듈로 얻은 이러한 결과는 압력 축적과 함께 가열 속도의 불연속적인 흐름이 분해 반응 또는 발열 반응 측면에서 위험 가능성을 나타내는 훌륭한 지표임을 명확하게 보여줍니다. 250 mW와 같은 small 전력 수준에서도 약 1 K/min의 가열 속도( small )로 이 예시적인 측정을 위한 가열에는 4시간이 채 걸리지 않습니다. 따라서 MMC 스캐닝 모듈은 스크리닝 도구로 사용하기에 매우 적합합니다. 압력 및/또는 온도 상승이 감지되는 경우 다음 단계로 단열 테스트를 수행해야 합니다.
가속 속도 열량 측정
특수 열량계를 사용하면 가속 속도 열량 측정법(ARC®)에 따라 시료를 조사할 수 있습니다. ARC® -형 장비는 열 교환을 허용하지 않고 아주 작은 자체 가열 반응도 감지할 수 있도록 단열 시료 환경을 제공합니다. 일반적인 측정 모드를 열 대기 검색(Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search 는 가속 속도 열량 측정에 따라 열량계 장치에서 사용되는 측정 모드입니다(ARC).HWS)이라고 합니다. 가열, 평형화 및 아주 작은 자체 유도 온도 변화까지 감지하는 일련의 과정은 분해 반응이 시작되는 온도를 결정하기 위해 사용되는 준등온 접근법입니다. 그림 7에는 Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search 는 가속 속도 열량 측정에 따라 열량계 장치에서 사용되는 측정 모드입니다(ARC).heat-wait-search 을 나타내는 다이어그램이 나와 있습니다.
MMC의 ARC® 모듈 설정 단면도는 그림 3에 나와 있습니다. 감지 기간(검색) 동안 0.02 K/min의 자체 가열 속도가 초과되면 측정값이 Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search 는 가속 속도 열량 측정에 따라 열량계 장치에서 사용되는 측정 모드입니다(ARC).heat-wait-search 에서 단열 모드로 변경됩니다. 이는 주변 히터(상단, 측면 및 하단)가 더 이상 위에서 언급한 순서를 따르지 않고 시료 온도를 추적한다는 의미입니다. 이 "단열" 모드에서는 온도 차이가 없으므로 시료와 열량계 환경 간에 열 교환이 일어나지 않습니다.

ARC® 모듈의 H2O2
그림 8은 Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search 는 가속 속도 열량 측정에 따라 열량계 장치에서 사용되는 측정 모드입니다(ARC).heat-wait-search 모드를 사용하는 MMC의 ARC® 모듈로 조사한 과산화수소(35%) 분해 결과를 보여줍니다. 단계적 가열의 온도 상승은 10K였으며 시스템은 대기 구간 동안 30분 동안 안정화되도록 허용되었습니다. 10분의 검색 기간 동안 발열 이벤트가 감지되는지 여부에 대한 답은 발열 임계값에 따라 달라집니다. 40°C에서 70°C 사이에서는 검색 기간 동안 자체 발열이 0.02K/min 미만이었고 열 대기-검색 시퀀스가 계속되었습니다. 80°C에서는 감지된 자체 발열이 임계값을 초과하여 칼로리미터가 단열 모드로 전환되었습니다. 온도 상승(ΔTobs)은 41.5°C로 감지되었으며, 열 관성[1]을 고려하면 단열 온도 상승은 94.9°C(ΔTad)로 계산됩니다. 이 차이는 주로 용기의 질량×비열용량 대 시료의 질량×비열용량의 비율에 의해 주어지는 소위 PHI 계수를 기반으로 합니다. 분해 중 시료의 자체 가열로 인한 온도 상승 외에도 압력 증가도 정량화할 수 있습니다. 단열 세그먼트가 끝날 때 압력 증가는 20bar 이상이었습니다.

결론
35% 과산화수소 수용액의 분해 거동은 MMC의 스캐닝 모듈과 ARC® 모듈을 사용하여 조사했습니다. 스캐닝 모듈은 일정한 수준의 전력(여기서의 경우처럼) 또는 일정한 가열 속도를 사용하여 작동하기 때문에 이러한 실험은 heat-wait-search 방법보다 시간이 훨씬 적게 소요됩니다. 따라서 스캐닝 모듈은 자체 분해 또는 위험 가능성과 관련하여 알려지지 않은 샘플을 조사하는 데 탁월한 스크리닝 도구입니다. 조사된 시료가 스캔 실행 중에 불안정한 온도 거동을 보이거나 압력 축적으로 인해 분해 반응이 나타나는 경우, 시료에 대한 추가 조사는 ARC®-형 장비를 사용하여 수행해야 합니다. 압력 축적과 관찰 및 단열 온도 상승과 같은 값은 화학 물질의 유해성을 평가하는 데 매우 중요하며 NETZSCH 다중 모듈 열량계 MMC 274 Nexus® 를 사용하여 쉽게 얻을 수 있습니다.