Potențialul de periculozitate al reacțiilor de descompunere folosind exemplul peroxidului de hidrogen (H2O2)

Peroxid de hidrogen

Peroxidul de hidrogen pur (_H2O2) este un lichid albastru deschis, care poate fi amestecat în orice proporție cu apa. Soluțiile apoase cu procentaj scăzut sunt utilizate pe scară largă ca agenți de albire datorită proprietăților lor oxidante puternice. Pe lângă înălbirea lemnului, a hârtiei sau a părului, soluțiile de peroxid de hidrogen sunt utilizate și ca agenți oxidanți sau în aplicații medicale ca dezinfectanți. Tendința peroxidului de hidrogen de a se descompune în apă și oxigen (a se vedea ecuația 1 de mai jos) este motivul aplicării sale ca propulsor lichid în motoarele de rachetă.

Calorimetru cu module multiple (MMC)

Calorimetrul cu module multiple NETZSCH Calorimetru cu module multiple (MMC)Dispozitiv calorimetric multimodal constând dintr-o unitate de bază și module interschimbabile. Un modul este pregătit pentru calorimetria cu rată de accelerare (ARC^®), ARC^®-Module. Un al doilea este utilizat pentru testele de scanare (Scanning Module), iar al treilea și al patrulea sunt legate de testele pentru baterii și polimeri, testele farmaceutice pentru celulele monedelor (Coin Cell Module).MMC 274 Nexus^® (figura 1) oferă trei module de măsurare diferite [1]. Modulul Calorimetrie cu rată accelerată (ARC)Metoda care descrie procedurile de testare izotermă și adiabatică utilizate pentru detectarea reacțiilor de descompunere exotermă din punct de vedere termic.ARC^® poate fi utilizat pentru studii privind riscurile termice; modulul Coin-Cell este specializat pentru investigarea bateriilor; iar modulul de scanare poate fi utilizat pentru evaluarea datelor calorice dintr-o singură încălzire. Spre deosebire de tehnica utilizată pe scară largă și bine cunoscută a calorimetriei diferențiale cu baleiaj (DSC), modulul de scanare al Calorimetru cu module multiple (MMC)Dispozitiv calorimetric multimodal constând dintr-o unitate de bază și module interschimbabile. Un modul este pregătit pentru calorimetria cu rată de accelerare (ARC^®), ARC^®-Module. Un al doilea este utilizat pentru testele de scanare (Scanning Module), iar al treilea și al patrulea sunt legate de testele pentru baterii și polimeri, testele farmaceutice pentru celulele monedelor (Coin Cell Module).MMC poate manipula probe cu un volum de până la 2 ml. Pentru încălzirea probelor, sunt disponibile două opțiuni: fie o rată de încălzire constantă, fie un nivel constant de putere. Prin utilizarea informațiilor referitoare atât la puterea furnizată probei, cât și la rata de încălzire, se poate calcula un semnal de flux termic. Folosind metale precum indiu, staniu și bismut, se pot determina atât temperatura, cât și sensibilitatea instrumentului. La 1000 până la 9000 mg (volumul probei aproximativ 1 ml), masele tipice ale probei sunt considerabil mai mari pentru Calorimetru cu module multiple (MMC)Dispozitiv calorimetric multimodal constând dintr-o unitate de bază și module interschimbabile. Un modul este pregătit pentru calorimetria cu rată de accelerare (ARC^®), ARC^®-Module. Un al doilea este utilizat pentru testele de scanare (Scanning Module), iar al treilea și al patrulea sunt legate de testele pentru baterii și polimeri, testele farmaceutice pentru celulele monedelor (Coin Cell Module).MMC decât masele probei utilizate pentru DSC, care sunt de obicei între 5 și 10 mg. Chiar și așa, incertitudinea evaluată pentru modulul de scanare al Calorimetru cu module multiple (MMC)Dispozitiv calorimetric multimodal constând dintr-o unitate de bază și module interschimbabile. Un modul este pregătit pentru calorimetria cu rată de accelerare (ARC^®), ARC^®-Module. Un al doilea este utilizat pentru testele de scanare (Scanning Module), iar al treilea și al patrulea sunt legate de testele pentru baterii și polimeri, testele farmaceutice pentru celulele monedelor (Coin Cell Module).MMC este de aproximativ 1% pentru determinările de temperatură și mai mică de 5% pentru determinările de entalpie.

Această lucrare studiază comportamentul de Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere termică a peroxidului de hidrogen (35%) folosind două module Calorimetru cu module multiple (MMC)Dispozitiv calorimetric multimodal constând dintr-o unitate de bază și module interschimbabile. Un modul este pregătit pentru calorimetria cu rată de accelerare (ARC^®), ARC^®-Module. Un al doilea este utilizat pentru testele de scanare (Scanning Module), iar al treilea și al patrulea sunt legate de testele pentru baterii și polimeri, testele farmaceutice pentru celulele monedelor (Coin Cell Module).MMC, modulul de scanare (a se vedea figura 2) și modulul Calorimetrie cu rată accelerată (ARC)Metoda care descrie procedurile de testare izotermă și adiabatică utilizate pentru detectarea reacțiilor de descompunere exotermă din punct de vedere termic.ARC^® (a se vedea figura 3). Prin intermediul unui încălzitor extern care înconjoară direct vasul de probă (figura 4), modulul de scanare poate furniza probei un nivel constant de putere.

Condiții de măsurare

Condițiile de măsurare sunt rezumate în tabelul 1. Peroxidul de hidrogen (Sigma Aldrich) a fost primit sub formă de soluție apoasă (35%) și este depozitat la temperatura ambiantă.

Tabelul 1: Condiții de măsurare

Compararea comportamentului _H2O2,_H2Oși al vasului gol

Rezultatele din figura 5 prezintă exclusiv încălzirea probei. Deoarece Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. reacția de descompunere a peroxidului de hidrogen nu este reversibilă, oxigenul generat nu este preluat din nou pentru a forma peroxidul de hidrogen inițial în timpul răcirii. În schimb, produsele formate de apă și oxigen se răcesc la temperatura ambiantă sub formă de lichid și, respectiv, de gaz. Semnalul de presiune indică 17,7 bar la 40 °C, ceea ce reflectă cantitatea de oxigen formată în timpul descompunerii (figura 6). Luând în schimb aceeași cantitate de apă, presiunea crește, de asemenea, în timpul încălzirii, dar deoarece apa rămâne neschimbată din punct de vedere chimic, toți vaporii de apă precipită din nou în timpul răcirii. Acesta este motivul pentru care linia albastră punctată, care indică semnalul de presiune pentru apă în timpul răcirii, prezintă valori aproape identice cu cele din timpul încălzirii (linii continue). Pentru comparație, liniile verzi arată evoluția semnalului de presiune în timpul încălzirii și răcirii pentru un vas gol.

Avantajele modulului de scanare

Aceste rezultate obținute de modulul de scanare Calorimetru cu module multiple (MMC)Dispozitiv calorimetric multimodal constând dintr-o unitate de bază și module interschimbabile. Un modul este pregătit pentru calorimetria cu rată de accelerare (ARC), ARC-Module. Un al doilea este utilizat pentru testele de scanare (Scanning Module), iar al treilea și al patrulea sunt legate de testele pentru baterii și polimeri, testele farmaceutice pentru celulele monedelor (Coin Cell Module).MMC demonstrează în mod clar că evoluția discontinuă a ratei de încălzire împreună cu creșterea presiunii sunt indicatori excelenți ai potențialului de pericol în ceea ce privește reacțiile de Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere sau reacțiile exotermice. Chiar și la un nivel de putere de small, cum ar fi 250 mW, care duce la o rată de încălzire comparabilă small de aproximativ 1 K/min, încălzirea pentru această măsurătoare exemplară durează mai puțin de 4 ore. Prin urmare, modulul de scanare MMC este bine adaptat pentru a fi utilizat ca instrument de screening. În cazurile în care se detectează o creștere a presiunii și/sau a temperaturii, următoarea etapă ar trebui să fie un test AdiabaticAdiabatic descrie un sistem sau un mod de măsurare fără niciun schimb de căldură cu mediul înconjurător. Acest mod poate fi realizat utilizând un dispozitiv calorimetric în conformitate cu metoda calorimetriei cu rată de accelerare (ARC^®). Scopul principal al unui astfel de dispozitiv este de a studia scenariile și reacțiile termice scăpate de sub control. O scurtă descriere a modului adiabatic este "nu intră căldură - nu iese căldură".adiabatic.

Calorimetrie cu rată accelerată

Calorimetrele specializate permit investigarea probelor în conformitate cu metoda calorimetriei accelerate (Calorimetrie cu rată accelerată (ARC)Metoda care descrie procedurile de testare izotermă și adiabatică utilizate pentru detectarea reacțiilor de descompunere exotermă din punct de vedere termic.ARC^®). Un echipament de tip Calorimetrie cu rată accelerată (ARC)Metoda care descrie procedurile de testare izotermă și adiabatică utilizate pentru detectarea reacțiilor de descompunere exotermă din punct de vedere termic.ARC^® oferă un mediu AdiabaticAdiabatic descrie un sistem sau un mod de măsurare fără niciun schimb de căldură cu mediul înconjurător. Acest mod poate fi realizat utilizând un dispozitiv calorimetric în conformitate cu metoda calorimetriei cu rată de accelerare (ARC^®). Scopul principal al unui astfel de dispozitiv este de a studia scenariile și reacțiile termice scăpate de sub control. O scurtă descriere a modului adiabatic este "nu intră căldură - nu iese căldură".adiabatic al probei pentru a nu permite niciun schimb de căldură și pentru a detecta chiar și cele mai mici reacții de autoîncălzire. Modul tipic de măsurare se numește "heatwait-search" (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search este un mod de măsurare utilizat în dispozitivele calorimetrice în conformitate cu calorimetria accelerată (ARC^®).HWS). Secvența de încălzire, echilibrare și detectare chiar și a celor mai mici schimbări de temperatură autoinduse este o abordare cvasi-izotermă utilizată pentru a determina temperatura la care începe Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. reacția de descompunere. În figura 7 este prezentată o diagramă care descrie Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search este un mod de măsurare utilizat în dispozitivele calorimetrice în conformitate cu calorimetria accelerată (ARC^®).heat-wait-search.

În figura 3 este prezentată o secțiune transversală a configurației modulului Calorimetrie cu rată accelerată (ARC)Metoda care descrie procedurile de testare izotermă și adiabatică utilizate pentru detectarea reacțiilor de descompunere exotermă din punct de vedere termic.ARC^® al MMC. Dacă Rata de autoîncălzirePentru a detecta rata de autoîncălzire a unei substanțe se utilizează un tip special de calorimetru. Metoda conexă se numește calorimetrie cu rată de accelerare (ARC^®). rata de autoîncălzire de 0,02 K/min este depășită în timpul perioadei de detecție (căutare), măsurarea trece de la Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search este un mod de măsurare utilizat în dispozitivele calorimetrice în conformitate cu calorimetria accelerată (ARC^®).heat-wait-search la modul AdiabaticAdiabatic descrie un sistem sau un mod de măsurare fără niciun schimb de căldură cu mediul înconjurător. Acest mod poate fi realizat utilizând un dispozitiv calorimetric în conformitate cu metoda calorimetriei cu rată de accelerare (ARC^®). Scopul principal al unui astfel de dispozitiv este de a studia scenariile și reacțiile termice scăpate de sub control. O scurtă descriere a modului adiabatic este "nu intră căldură - nu iese căldură".adiabatic. Aceasta înseamnă că încălzitoarele din jur (sus, lateral și jos) nu mai urmează secvența menționată mai sus, ci urmăresc temperatura probei. În timpul acestui mod "AdiabaticAdiabatic descrie un sistem sau un mod de măsurare fără niciun schimb de căldură cu mediul înconjurător. Acest mod poate fi realizat utilizând un dispozitiv calorimetric în conformitate cu metoda calorimetriei cu rată de accelerare (ARC^®). Scopul principal al unui astfel de dispozitiv este de a studia scenariile și reacțiile termice scăpate de sub control. O scurtă descriere a modului adiabatic este "nu intră căldură - nu iese căldură".adiabatic", nu există nicio diferență de temperatură și, prin urmare, niciun schimb de căldură între eșantion și mediul calorimetrului.

_H2O2 în modulul ARC^®

Figura 8 prezintă rezultatele descompunerii peroxidului de hidrogen (35%) investigat cu modulul Calorimetrie cu rată accelerată (ARC)Metoda care descrie procedurile de testare izotermă și adiabatică utilizate pentru detectarea reacțiilor de descompunere exotermă din punct de vedere termic.ARC^® al MMC care utilizează modul Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search este un mod de măsurare utilizat în dispozitivele calorimetrice în conformitate cu calorimetria accelerată (ARC^®).heat-wait-search. Creșterea temperaturii în încălzirea treptată a fost de 10 K, iar sistemul a fost lăsat să se stabilizeze timp de 30 de minute în timpul segmentului de așteptare. Răspunsul la întrebarea dacă se detectează sau nu un eveniment ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură.exotermic în timpul perioadei de căutare de 10 minute depinde de pragul ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură.exotermic. Între 40°C și 70°C, autoîncălzirea în timpul perioadei de căutare a fost mai mică de 0,02 K/min, iar secvența căldură-așteaptă-căutare a continuat. La 80 °C, autoîncălzirea detectată a depășit acest prag și calorimetrul a trecut astfel în modul AdiabaticAdiabatic descrie un sistem sau un mod de măsurare fără niciun schimb de căldură cu mediul înconjurător. Acest mod poate fi realizat utilizând un dispozitiv calorimetric în conformitate cu metoda calorimetriei cu rată de accelerare (ARC^®). Scopul principal al unui astfel de dispozitiv este de a studia scenariile și reacțiile termice scăpate de sub control. O scurtă descriere a modului adiabatic este "nu intră căldură - nu iese căldură".adiabatic. Creșterea temperaturii (ΔTobs) a fost detectată la 41,5 K. Luând în considerare inerția termică [1], Creșterea adiabatică a temperaturiiCreșterea adiabatică a temperaturii (delta Tad) este creșterea observată a temperaturii (delta Tobs) a unei reacții de descompunere cu autoîncălzire în condiții adiabatice, ținând seama de factorul PHI.creșterea adiabatică a temperaturii este calculată la 94,9 K (ΔTad). Diferența se bazează pe așa-numitul factor PHI, care este dat în principal de raportul dintre masa înmulțită cu capacitatea termică specifică a recipientului și masa înmulțită cu capacitatea termică specifică a probei. În plus față de creșterea temperaturii cauzată de autoîncălzirea probei în timpul descompunerii, creșterea presiunii poate fi, de asemenea, cuantificată. La sfârșitul segmentului AdiabaticAdiabatic descrie un sistem sau un mod de măsurare fără niciun schimb de căldură cu mediul înconjurător. Acest mod poate fi realizat utilizând un dispozitiv calorimetric în conformitate cu metoda calorimetriei cu rată de accelerare (ARC^®). Scopul principal al unui astfel de dispozitiv este de a studia scenariile și reacțiile termice scăpate de sub control. O scurtă descriere a modului adiabatic este "nu intră căldură - nu iese căldură".adiabatic, creșterea presiunii a fost mai mare de 20 bar.

Concluzie

Comportamentul de Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere a unei soluții apoase de peroxid de hidrogen de 35% a fost investigat cu modulul de scanare al MMC, precum și cu modulul Calorimetrie cu rată accelerată (ARC)Metoda care descrie procedurile de testare izotermă și adiabatică utilizate pentru detectarea reacțiilor de descompunere exotermă din punct de vedere termic.ARC^® al acestuia. Deoarece modulul de scanare funcționează folosind fie un nivel constant de putere (cum a fost cazul aici), fie o rată constantă de încălzire, aceste experimente necesită mult mai puțin timp decât metoda Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search este un mod de măsurare utilizat în dispozitivele calorimetrice în conformitate cu calorimetria accelerată (ARC).heat-wait-search. Prin urmare, modulul de scanare este un instrument de screening excelent pentru investigarea probelor necunoscute în ceea ce privește autodecompoziția sau potențialul periculos. În cazul în care o probă investigată prezintă un comportament instabil al temperaturii în timpul scanării sau în cazul în care o reacție de Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere este indicată de creșterea presiunii, orice investigație suplimentară asupra probelor trebuie efectuată cu ajutorul unui echipament de tip ARC^®. Valori precum creșterea presiunii, precum și creșterea temperaturii observate și adiabatice sunt extrem de importante în evaluarea potențialului periculos al substanțelor chimice și pot fi obținute cu ușurință utilizând calorimetrul cu module multiple MMC 274 NETZSCH Nexus^® .