Potencjał zagrożenia związany z reakcjami rozkładu na przykładzie nadtlenku wodoru (H2O2)

Nadtlenek wodoru

Czysty nadtlenek wodoru (_H2O2) jest bladoniebieską cieczą, którą można mieszać w dowolnym stosunku z wodą. Niskoprocentowe roztwory wodne są szeroko stosowane jako środki wybielające ze względu na ich silne właściwości utleniające. Oprócz wybielania drewna, papieru lub włosów, roztwory nadtlenku wodoru są również stosowane jako środki utleniające lub w medycynie jako środki dezynfekujące. Tendencja nadtlenku wodoru do rozkładu na wodę i tlen (patrz równanie 1 poniżej) jest powodem jego zastosowania jako ciekłego materiału pędnego w silnikach rakietowych.

Kalorymetr wielomodułowy (MMC)

Kalorymetr wielomodułowy NETZSCH Kalorymetr wielomodułowy (MMC)Wielotrybowe urządzenie kalorymetryczne składające się z jednostki bazowej i wymiennych modułów. Jeden moduł jest przygotowany do kalorymetrii z przyspieszeniem (ARC), ARC-Module. Drugi służy do testów skanowania (Scanning Module), a trzeci do testowania baterii ogniw monetowych (Coin Cell Module).MMC 274 Nexus^® (rysunek 1) oferuje trzy różne moduły pomiarowe [1]. Moduł ARC^® może być wykorzystywany do badań zagrożeń termicznych; moduł Coin-Cell jest wyspecjalizowany do badania baterii; a Moduł skanowaniaModuł kalorymetru będący częścią kalorymetru wielomodułowego (MMC) umożliwiający skanowanie próbki. Procedura ta może służyć jako test przesiewowy w celu wykrycia potencjalnego zagrożenia termicznego w stosunkowo krótkim czasie pomiaru.moduł skanujący może być wykorzystywany do oceny danych kalorycznych z pojedynczego cyklu ogrzewania. W przeciwieństwie do szeroko stosowanej i dobrze znanej techniki różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC), Moduł skanowaniaModuł kalorymetru będący częścią kalorymetru wielomodułowego (MMC) umożliwiający skanowanie próbki. Procedura ta może służyć jako test przesiewowy w celu wykrycia potencjalnego zagrożenia termicznego w stosunkowo krótkim czasie pomiaru.moduł skanujący Kalorymetr wielomodułowy (MMC)Wielotrybowe urządzenie kalorymetryczne składające się z jednostki bazowej i wymiennych modułów. Jeden moduł jest przygotowany do kalorymetrii z przyspieszeniem (ARC), ARC-Module. Drugi służy do testów skanowania (Scanning Module), a trzeci do testowania baterii ogniw monetowych (Coin Cell Module).MMC może obsługiwać próbki o objętości do 2 ml. W przypadku ogrzewania próbek dostępne są dwie opcje: stała szybkość ogrzewania lub stały poziom mocy. Wykorzystując informacje zarówno o mocy dostarczanej do próbki, jak i szybkości ogrzewania, można obliczyć sygnał przepływu ciepła. Wykorzystując metale takie jak ind, cyna i bizmut, można określić zarówno temperaturę, jak i czułość urządzenia. Przy 1000 do 9000 mg (objętość próbki około 1 ml), typowe masy próbek są znacznie wyższe dla Kalorymetr wielomodułowy (MMC)Wielotrybowe urządzenie kalorymetryczne składające się z jednostki bazowej i wymiennych modułów. Jeden moduł jest przygotowany do kalorymetrii z przyspieszeniem (ARC), ARC-Module. Drugi służy do testów skanowania (Scanning Module), a trzeci do testowania baterii ogniw monetowych (Coin Cell Module).MMC niż masy próbek stosowane w DSC, które zazwyczaj wynoszą od 5 do 10 mg. Mimo to, oszacowana niepewność dla modułu skanującego Kalorymetr wielomodułowy (MMC)Wielotrybowe urządzenie kalorymetryczne składające się z jednostki bazowej i wymiennych modułów. Jeden moduł jest przygotowany do kalorymetrii z przyspieszeniem (ARC), ARC-Module. Drugi służy do testów skanowania (Scanning Module), a trzeci do testowania baterii ogniw monetowych (Coin Cell Module).MMC wynosi około 1% dla oznaczeń temperatury i mniej niż 5% dla oznaczeń entalpii.

W niniejszej pracy zbadano zachowanie rozkładu termicznego nadtlenku wodoru (35%) przy użyciu dwóch modułów Kalorymetr wielomodułowy (MMC)Wielotrybowe urządzenie kalorymetryczne składające się z jednostki bazowej i wymiennych modułów. Jeden moduł jest przygotowany do kalorymetrii z przyspieszeniem (ARC), ARC-Module. Drugi służy do testów skanowania (Scanning Module), a trzeci do testowania baterii ogniw monetowych (Coin Cell Module).MMC, modułu skanującego (patrz rysunek 2) i modułu ARC^® (patrz rysunek 3). Za pomocą zewnętrznego grzejnika, który bezpośrednio otacza naczynie z próbką (rysunek 4), Moduł skanowaniaModuł kalorymetru będący częścią kalorymetru wielomodułowego (MMC) umożliwiający skanowanie próbki. Procedura ta może służyć jako test przesiewowy w celu wykrycia potencjalnego zagrożenia termicznego w stosunkowo krótkim czasie pomiaru.moduł skanujący może zapewnić próbce stały poziom mocy.

Warunki pomiaru

Warunki pomiaru podsumowano w tabeli 1. Nadtlenek wodoru (Sigma Aldrich) został dostarczony jako roztwór wodny (35%) i jest przechowywany w temperaturze otoczenia.

Tabela 1: Warunki pomiaru

Porównanie zachowania _H2O2,_H2Oi pustego naczynia

Wyniki na rysunku 5 przedstawiają wyłącznie ogrzewanie próbki. Ponieważ Reakcja rozkładuReakcja rozkładu to wywołana termicznie reakcja związku chemicznego tworząca produkty stałe i/lub gazowe. reakcja rozkładu nadtlenku wodoru nie jest odwracalna, wytworzony tlen nie jest ponownie pobierany w celu utworzenia początkowego nadtlenku wodoru podczas chłodzenia. Zamiast tego powstałe produkty wody i tlenu schładzają się do temperatury otoczenia odpowiednio jako ciecz i gaz. Sygnał ciśnienia wskazuje 17,7 bara w temperaturze 40°C, co odzwierciedla ilość tlenu powstającego podczas rozkładu (rysunek 6). Biorąc pod uwagę tę samą ilość wody, ciśnienie również wzrasta podczas ogrzewania, ale ponieważ woda pozostaje niezmieniona chemicznie, cała para wodna ponownie wytrąca się podczas chłodzenia. Dlatego przerywana niebieska linia, wskazująca sygnał ciśnienia dla wody podczas chłodzenia, pokazuje wartości prawie identyczne jak podczas ogrzewania (linie ciągłe). Dla porównania, zielone linie pokazują przebieg sygnału ciśnienia podczas ogrzewania i chłodzenia dla pustego naczynia.

Zalety modułu skanowania

Wyniki uzyskane przez Moduł skanowaniaModuł kalorymetru będący częścią kalorymetru wielomodułowego (MMC) umożliwiający skanowanie próbki. Procedura ta może służyć jako test przesiewowy w celu wykrycia potencjalnego zagrożenia termicznego w stosunkowo krótkim czasie pomiaru.moduł skanujący MMC wyraźnie pokazują, że nieciągły przebieg szybkości nagrzewania wraz ze wzrostem ciśnienia są doskonałymi wskaźnikami potencjalnego zagrożenia pod względem reakcji rozkładu lub reakcji egzotermicznych. Nawet przy poziomie mocy small takim jak 250 mW, skutkującym porównywalną small szybkością nagrzewania wynoszącą około 1 K/min, nagrzewanie dla tego przykładowego pomiaru trwa mniej niż 4 godziny. Dlatego Moduł skanowaniaModuł kalorymetru będący częścią kalorymetru wielomodułowego (MMC) umożliwiający skanowanie próbki. Procedura ta może służyć jako test przesiewowy w celu wykrycia potencjalnego zagrożenia termicznego w stosunkowo krótkim czasie pomiaru.moduł skanujący MMC doskonale nadaje się do wykorzystania jako narzędzie przesiewowe. W przypadku wykrycia wzrostu ciśnienia i/lub temperatury, kolejnym krokiem powinien być test AdiabatycznyTryb adiabatyczny opisuje system lub tryb pomiaru bez wymiany ciepła z otoczeniem. Tryb ten można zrealizować za pomocą urządzenia kalorymetrycznego zgodnie z metodą kalorymetrii przyspieszonej (ARC). Głównym celem takiego urządzenia jest badanie scenariuszy i reakcji termicznych. Krótki opis trybu adiabatycznego to "brak ciepła na wejściu - brak ciepła na wyjściu".adiabatyczny.

Kalorymetria przyspieszająca

Specjalistyczne kalorymetry umożliwiają badanie próbek zgodnie z metodą kalorymetrii przyspieszonej (ARC^®). Sprzęt typu ARC^® oferuje adiabatyczne środowisko próbki, aby nie dopuścić do wymiany ciepła i wykryć nawet smallest reakcji samonagrzewania. Typowy tryb pomiaru nazywany jest heatwait-search (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search to tryb pomiaru stosowany w urządzeniach kalorymetrycznych zgodnie z kalorymetrią przyspieszoną (ARC).HWS). Sekwencja podgrzewania, wyrównywanialibration i wykrywania nawet smallnajmniejszych zmian temperatury wywołanych samoczynnie jest podejściem quasi-izotermicznym stosowanym w celu określenia temperatury, w której rozpoczyna się Reakcja rozkładuReakcja rozkładu to wywołana termicznie reakcja związku chemicznego tworząca produkty stałe i/lub gazowe. reakcja rozkładu. Schemat przedstawiający Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search to tryb pomiaru stosowany w urządzeniach kalorymetrycznych zgodnie z kalorymetrią przyspieszoną (ARC).heat-wait-search pokazano na rysunku 7.

Przekrój zestawu modułu MMC ARC^® przedstawiono na rysunku 3. Jeśli Szybkość samonagrzewaniaSpecjalny rodzaj kalorymetru jest wykorzystywany do wykrywania szybkości samonagrzewania się substancji. Metoda ta nazywana jest kalorymetrią przyspieszoną (ARC). szybkość samonagrzewania wynosząca 0,02 K/min zostanie przekroczona w okresie wykrywania (patrzarch), pomiar zmienia się z trybu Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search to tryb pomiaru stosowany w urządzeniach kalorymetrycznych zgodnie z kalorymetrią przyspieszoną (ARC).heat-wait-search na tryb AdiabatycznyTryb adiabatyczny opisuje system lub tryb pomiaru bez wymiany ciepła z otoczeniem. Tryb ten można zrealizować za pomocą urządzenia kalorymetrycznego zgodnie z metodą kalorymetrii przyspieszonej (ARC). Głównym celem takiego urządzenia jest badanie scenariuszy i reakcji termicznych. Krótki opis trybu adiabatycznego to "brak ciepła na wejściu - brak ciepła na wyjściu".adiabatyczny. Oznacza to, że otaczające grzałki (górna, boczne i dolna) nie podążają już za wyżej wymienioną sekwencją, ale raczej śledzą temperaturę próbki. W tym trybie "adiabatycznym" nie ma różnicy temperatur, a tym samym wymiany ciepła między próbką a środowiskiem kalorymetru.

_H2O2 w module ARC^®

Rysunek 8 przedstawia wyniki rozkładu nadtlenku wodoru (35%) badanego za pomocą modułu MMC ARC^® w trybie Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search to tryb pomiaru stosowany w urządzeniach kalorymetrycznych zgodnie z kalorymetrią przyspieszoną (ARC).heat-wait-search. Przyrost temperatury w stopniowym ogrzewaniu wynosił 10 K, a system mógł ustabilizować się przez 30 minut podczas segmentu oczekiwania.arcOdpowiedź na pytanie, czy zdarzenie egzotermiczne jest wykrywane podczas 10-minutowego okresu oczekiwania, zależy od progu egzotermicznego. Pomiędzy 40°C a 70°C, samonagrzewanie podczas okresu search było mniejsze niż 0,02 K/min i sekwencja heatwait-search była kontynuowana. W temperaturze 80°C wykryte samonagrzewanie przekroczyło ten próg i kalorymetr przeszedł w tryb AdiabatycznyTryb adiabatyczny opisuje system lub tryb pomiaru bez wymiany ciepła z otoczeniem. Tryb ten można zrealizować za pomocą urządzenia kalorymetrycznego zgodnie z metodą kalorymetrii przyspieszonej (ARC). Głównym celem takiego urządzenia jest badanie scenariuszy i reakcji termicznych. Krótki opis trybu adiabatycznego to "brak ciepła na wejściu - brak ciepła na wyjściu".adiabatyczny. Wykryty wzrost temperatury (ΔTobs) wyniósł 41,5 K. Biorąc pod uwagę bezwładność cieplną [1], AdiabatycznyTryb adiabatyczny opisuje system lub tryb pomiaru bez wymiany ciepła z otoczeniem. Tryb ten można zrealizować za pomocą urządzenia kalorymetrycznego zgodnie z metodą kalorymetrii przyspieszonej (ARC). Głównym celem takiego urządzenia jest badanie scenariuszy i reakcji termicznych. Krótki opis trybu adiabatycznego to "brak ciepła na wejściu - brak ciepła na wyjściu".adiabatyczny wzrost temperatury obliczono na 94,9 K (ΔTad). Różnica opiera się na tak zwanym współczynniku PHI, który wynika głównie ze stosunku masy pomnożonej przez pojemność cieplną właściwą pojemnika do masy pomnożonej przez pojemność cieplną właściwą próbki. Oprócz wzrostu temperatury spowodowanego samonagrzewaniem się próbki podczas rozkładu, można również określić ilościowo wzrost ciśnienia. Pod koniec segmentu adiabatycznego wzrost ciśnienia wyniósł ponad 20 barów.

Wnioski

Zachowanie rozkładu 35% wodnego roztworu nadtlenku wodoru zostało zbadane za pomocą modułu skanującego MMC oraz modułu ARC^®. Ponieważ moduł skanujący jest obsługiwany przy użyciu stałego poziomu mocy (jak w tym przypadku) lub stałej szybkości ogrzewania, eksperymenty te są znacznie mniej czasochłonne niż w przypadku metody heat-wait-search. Dlatego moduł skanujący jest doskonałym narzędziem przesiewowym do badania nieznanych próbek pod kątem samorozkładu lub potencjału niebezpiecznego. W przypadkach, gdy badana próbka wykazuje niestabilne zachowanie temperatury podczas skanowania lub w przypadkach, gdy Reakcja rozkładuReakcja rozkładu to wywołana termicznie reakcja związku chemicznego tworząca produkty stałe i/lub gazowe. reakcja rozkładu jest wskazywana przez wzrost ciśnienia, wszelkie dalsze badania próbek powinny być przeprowadzane przy użyciu sprzętu typu ARC^®. NETZSCH Wartości takie jak wzrost ciśnienia, a także obserwowany i AdiabatycznyTryb adiabatyczny opisuje system lub tryb pomiaru bez wymiany ciepła z otoczeniem. Tryb ten można zrealizować za pomocą urządzenia kalorymetrycznego zgodnie z metodą kalorymetrii przyspieszonej (ARC). Głównym celem takiego urządzenia jest badanie scenariuszy i reakcji termicznych. Krótki opis trybu adiabatycznego to "brak ciepła na wejściu - brak ciepła na wyjściu".adiabatyczny wzrost temperatury są niezwykle ważne w ocenie niebezpiecznego potencjału chemikaliów i można je łatwo uzyskać za pomocą kalorymetru wielomodułowego MMC 274 Nexus^®.