Inleiding
Terwijl analysetechnieken zoals EDX of ICP-MS een gedetailleerde analyse van chemische elementen bieden, bijvoorbeeld van de elementen die voorkomen in een zoutmonster [1], kunnen thermische analysemethoden ook worden gebruikt om Identify en verschillende chemische verbindingen aanwezig in een dergelijk monster te karakteriseren. Gelijktijdige thermische analyse (STA), wat verwijst naar thermogravimetrie (TGA) en differentiële scanning calorimetrie (DSC) die gelijktijdig in één experiment worden uitgevoerd, werd bijvoorbeeld gebruikt om cementgrondstoffen te onderzoeken, inclusief de aanwezigheid en impact van onzuiverheden van alkalimetaalzouten [2]. Een ander voorbeeld is het smeltproces en de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit van het faseveranderingsmateriaal (PCM) natriumnitraat, NaNO3, dat werd bestudeerd met behulp van DSC [3].
Dit werk behandelt STA-metingen aan NaCl, KCl, gewoon keukenzout en zogenaamd Himalayazout waarbij het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten, de gedeeltelijke VerdampingDe verdamping van een element of verbinding is een faseovergang van de vloeibare fase naar damp. Er bestaan twee soorten verdamping: verdamping en koken.verdamping en de analyse van de samenstelling van de zouten centraal staan. Alkalizouten zoals NaCl (haliet) en KCl (sylviet) spelen een belangrijke rol in ons dagelijks leven. Terwijl NaCl het hoofdbestanddeel is van tafel- of keukenzout, kan KCl bijvoorbeeld worden gebruikt als strooizout in de winter. Himalayazout uit Pakistan is een natuurlijk zout dat - naast NaCl - verschillende mineralen en oxiden bevat, zoals Fe2O3 [1], dat verantwoordelijk is voor de lichtroze kleur (zie foto hierboven).
Experimenteel
De metingen werden uitgevoerd met de STA 449 F5 Jupiter® (zie figuur 1). Dit instrument, dat een SiC-oven heeft die een maximale monstertemperatuur van 1600 °C mogelijk maakt, kan optioneel worden uitgerust met de automatische monsterwisselaar (ASC) en koppelingstechnieken voor geëvolueerde gasanalyse zoals MS, FT-IR of GC-MS. Het weegbereik van de balans is maar liefst 35 g met een balansresolutie van 0,1 μg over het hele bereik. Een ander voordeel van de STA 449 F5 Jupiter® is de TG-BeFlat® softwarefunctionaliteit die automatisch rekening houdt met het drijfvermogenseffect, zodat nulmetingen niet langer nodig zijn voor standaardtests.
De meetomstandigheden die voor dit werk zijn toegepast, staan samengevat in tabel 1.
Tabel 1: Meetomstandigheden toegepast voor dit werk
Meetomstandigheden | |
|---|---|
| Instrument | STA 449 F5 Jupiter® |
| Monsterdrager | TGA-DSC type S |
| Kroezen | PtRh (0,19 ml) |
| Verwarmingssnelheid | 10 K/min |
| Monstermassa's | 23 ± 1 mg |
| Atmosfeer | N2 |
| Spoelgas stroomsnelheid | 70 ml/min |
De monsters NaCl [4] en KCl [5] hadden beide een nominale zuiverheid van 99,8%, terwijl er geen informatie over de zuiverheid beschikbaar was voor het keukenzout en het Himalayazout. Alle monsters werden gemeten als een dunne laag korrels die net de bodem van de kroes bedekte; het monstermateriaal werd niet gemalen of samengeperst.
Resultaten en discussie
Afgebeeld in figuur 2 zijn de temperatuurafhankelijke massaverandering en warmtestroomsnelheid van het NaCl-monster. Bij een geëxtrapoleerde begintemperatuur van 802,1 °C werd een EndothermEen monsterovergang of reactie is endotherm als er warmte nodig is voor de omzetting.endotherm effect waargenomen met een piektemperatuur van 813 °C en een enthalpie van 480 J/g, die kan worden toegeschreven aan het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten van het monster. De begintemperatuur, die het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt).smeltpunt weergeeft, komt goed overeen met de literatuurwaarde van 801 °C; de enthalpie van 480 J/g komt ook goed overeen met de fusiewaarde van 484 J/g die in de literatuur wordt gevonden [6]. Boven ongeveer 800°C trad een massaverlies van 0,9% op, wat te wijten is aan gedeeltelijke VerdampingDe verdamping van een element of verbinding is een faseovergang van de vloeibare fase naar damp. Er bestaan twee soorten verdamping: verdamping en koken.verdamping van het monster.
De STA-resultaten voor het KCl-monster worden getoond in figuur 3. Ook hier werd Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten en gedeeltelijke VerdampingDe verdamping van een element of verbinding is een faseovergang van de vloeibare fase naar damp. Er bestaan twee soorten verdamping: verdamping en koken.verdamping waargenomen. Opnieuw werden Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt). smelten en gedeeltelijke VerdampingDe verdamping van een element of verbinding is een faseovergang van de vloeibare fase naar damp. Er bestaan twee soorten verdamping: verdamping en koken.verdamping waargenomen; het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt).smeltpunt, gedetecteerd bij 771,4 °C, komt goed overeen met de literatuurwaarde van 772 °C en de enthalpie-waarde van 361 J/g komt weer overeen met de waarde van 351 J/g die in de referentie [6] wordt gerapporteerd.
Weergegeven in figuur 4 zijn de STA-resultaten verkregen voor het tafelzoutmonster, die duidelijk verschillen van de resultaten verkregen voor het pure NaCl-monster (vergelijk figuur 4 en 2): Het begin van de belangrijkste DSC-piek ligt bij 797,2 °C en dus aanzienlijk onder de waarde van 802,1 °C die werd waargenomen voor zuiver NaCl; ook werd een extra EndothermEen monsterovergang of reactie is endotherm als er warmte nodig is voor de omzetting.endotherm effect waargenomen bij een geëxtrapoleerde begintemperatuur van 724 °C. De enthalpie van het belangrijkste smelteffect van 499 J/g ligt in hetzelfde bereik als de waarde van 480 J/g die werd waargenomen voor zuiver NaCl, terwijl de enthalpie van het eerste effect slechts 6 J/g bedraagt. Deze resultaten tonen aan dat het tafelzout - zoals verwacht - geen zuiver NaCl is; de DSC-curve die gevonden is voor het tafelzoutmonster wordt typisch waargenomen voor binaire zoutmengsels [7]. In dit geval is NaI-NaCl met een NaI-concentratie in het lagere percentagebereik de meest waarschijnlijke kandidaat [7].
De STA resultaten verkregen voor het Himalayazout getoond in figuren 5a en 5b zijn nog complexer dan de resultaten voor het keukenzout. Dit kan al worden gezien in de massaverliesstappen van 0,06%, 0,07%, 0,05%, 0,05%, 0,17% en 0,10% die onder 700°C alleen voor het Himalayazoutmonster zijn waargenomen (zie figuur 5b). Onder ongeveer 400°C vertoonde het DSC-signaal endotherme effecten die correleren - en die te wijten zijn aan de massaverliesstappen; details zoals piektemperaturen en enthalpie zijn te zien in figuur 5b. Het massaverlies onder ongeveer 200°C is hoogstwaarschijnlijk te wijten aan het vrijkomen van vocht en het uitdrogen van gips (mengsel van CaSO4∙2H2Oen CaSO4∙½H2O) met een geschatte concentratie in het subpercentagebereik. Tussen ongeveer 200°C en 400°C kunnen de massaverliezen te wijten zijn aan de ontbinding van verschillende carbonaten, terwijl de massaverliezen in het bereik van 450°C te wijten kunnen zijn aan de dehydratatie van Ca(OH)2. Voor verdere interpretatie van de massaverliesstappen zou geëvolueerd gasanalyse duidelijk nuttig zijn [8]. Het DSC-resultaat boven ongeveer 580°C is ook zeer complex (zie figuur 5b): Er werden minstens zeven endotherme DSC-effecten gedetecteerd. De hoofdpiek bij 799°C is opnieuw zeer waarschijnlijk het gevolg van een binair, NaCl-rijk mengsel zoals NaI-NaCl, KCl-NaCl [7] of Na2CO3- NaCl [7, 9], waar de DSC-piek bij 712°C ook vandaan kan komen. De resterende DSC-effecten tussen 580°C en 720°C zijn waarschijnlijk het gevolg van de smeltprocessen van verschillende jodiden, fluoriden, chloriden, carbonaten of sulfaten en mengsels daarvan met NaCl of KCl [7, 10]. Bijvoorbeeld, de DSC piek bij 587°C kan het gevolg zijn van CaI2 of K2SO4, de scherpe piek bij 690°C kan het gevolg zijn van KI en de piek bij 679°C kan het gevolg zijn van een structurele transformatie van Fe2O3 [10]. Meer details, zoals piektemperaturen en enthalpie, zijn te zien in figuur 5b. Het massaverlies van het Himalayazout van 2,74% boven 700°C (zie figuur 5a), dat weer te wijten is aan gedeeltelijke VerdampingDe verdamping van een element of verbinding is een faseovergang van de vloeibare fase naar damp. Er bestaan twee soorten verdamping: verdamping en koken.verdamping, is aanzienlijk hoger dan dat van de andere onderzochte monsters.
Conclusie
Onderzoeken van NaCl, KCl, keukenzout en Himalayazout met behulp van de STA 449 F5 Jupiter® toonden aan dat dit instrument zeer geschikt is voor het bestuderen van stoffen zoals alkalizouten en mengsels daarvan. Vooral het DSC-signaal, dat heel duidelijk smeltprocessen en andere fasetransformaties weergeeft, maakt het mogelijk om fasediagrammen te onderzoeken via smelttemperaturen en zelfs enthalpie. Het TGA-signaal geeft niet alleen de VerdampingDe verdamping van een element of verbinding is een faseovergang van de vloeibare fase naar damp. Er bestaan twee soorten verdamping: verdamping en koken.verdamping van het monster aan, maar ook massaverliesstappen door de ontleding van bijvoorbeeld onzuiverheden die in verschillende gevallen geïdentificeerd en gekwantificeerd kunnen worden.