Introducere
Tratamentul termic al diferitelor materiale poate duce la eliberarea de amoniac, care are un miros agresiv și poate ataca sistemul bronșic. Eliberarea de amoniac poate fi cauzată de o serie de procese diferite. Acestea variază de la descompunerea termică a sărurilor la fumul de la arderea tutunului și de la PirolizaPiroliza este descompunerea termică a compușilor organici într-o atmosferă inertă.piroliza polimerilor, cum ar fi poliamidele (PA) și fabricarea spumelor de plastic care necesită agenți de umflare. Un produs frecvent cunoscut din această ultimă categorie sunt covorașele de yoga. Eliberarea amoniacului poate crea praf fin prin reacția cu acidul sulfuric și acidul azotic atunci când s-au format săruri. În mediu, eliberarea de amoniac poate duce la acidificarea solului. Una dintre principalele surse de amoniac în mediu este agricultura, în special fertilizarea cu îngrășăminte minerale cu conținut de dungă și azot.
Din acest motiv, cuantificarea amoniacului eliberat a fost importantă în multe aplicații. Eliberarea de amoniac în funcție de temperatură poate fi detectată cu ușurință prin cuplarea TGA-FT-IR. Pentru a cuantifica porțiunea de amoniac eliberată, este necesară o curbă de calibrare cu o concentrație cunoscută de amoniac. Un compus adecvat pentru aceasta este bicarbonatul de amoniu, deoarece eliberează amoniac într-un raport stoechiometric pe lângă eliberarea de apă și dioxid de carbon; a se vedea ecuația (1). Se produc numai compuși gazoși:
(1) NH4HCO3->NH3 + H2O+ CO2
Cum se generează curba de calibrare
Pentru realizarea acestui studiu a fost utilizat un NETZSCH PERSEUS® TG 209 F1 Libra® . Încălzirea bicarbonatului de amoniu a dus la descompunerea completă până la 200°C, cu un vârf al ratei de pierdere de masă la 127°C (pe baza condițiilor de măsurare din tabelul 1).
Tabelul 1: Condiții de măsurare pentru generarea curbei de calibrare
| Parametru | NH4HCO3 | |||
| Program de temperatură | RT - 200°C, 5 K/min | |||
| Debit | 40 ml/min | |||
| Suport de probă | Suport de probă standard | |||
| Atmosferă de gaz | Azot | |||
| Creuzet | Al2O3 (85 μl) deschis | |||
| Masa probei | 5.31 mg | 10.16 mg | 15.01 mg | 20.50 mg |
În corelație cu pierderea de masă, a fost detectată eliberarea de gaze active IR; a se vedea figura 1.
Figura 2 prezintă spectrul FT-IR măsurat la 130°C (verde) în corelație cu spectrele de bibliotecă ale amoniacului (măslin), apei (albastru) și dioxidului de carbon (roșu). Eliberarea în funcție de temperatură a acestor compuși a fost trasată sub formă de urme în figura 1. Aceste urme au fost create prin integrarea regiunilor colorate (a se vedea figura 2) ale spectrelor FT-IR pentru fiecare compus pe întregul interval de temperatură. Aceste regiuni ale spectrelor FT-IR au fost separate pentru NH3 (898 cm-1 - 981 cm-1),CO2 (2200 cm-1 - 2450 cm-1) șiH2O(3793 cm-1 - 4001 cm-1) și nu au existat suprapuneri cu regiunile altor compuși.
Tabelul 2 prezintă cantitățile calculate stoechiometric ale gazelor eliberate în raport cu masa probei de bicarbonat de amoniu.
În consecință, zonele de sub urmele de NH3,CO2 șiH2Odin figura 1 pot fi corelate cu cantitatea de gaze eliberate; comparați ecuația (1). Acest lucru conduce la curbe de calibrare pentru NH3,CO2 șiH2Oîn care zona detectată sub urme este legată de cantitatea de gaz eliberată; a se vedea figura 3. Deoarece FT-IR are doar o gamă liniară small, rezultă ecuații polinomiale pentru toate cele trei molecule gazoase cu coeficienți de determinare (R2) foarte apropiați de 1. În acest studiu, masa fiecărei probe a fost măsurată o singură dată. Măsurătorile repetate sau mai multe puncte de date ar conduce la o precizie și mai mare a liniei de tendință.
Tabelul 2: Masa probei și cantitățile stoechiometrice rezultate de gaz evoluat
| m (NH4HCO3) [mg] | m (CO2) [mg] | m (NH3) [mg] | m (H2O) [mg] |
| 5.31 | 2.96 | 1.14 | 1.21 |
| 10.16 | 5.66 | 2.19 | 2.31 |
| 15.01 | 8.36 | 3.23 | 3.42 |
| 20.50 | 11.42 | 4.41 | 4.67 |
Cum se testează acuratețea curbei de calibrare
Precizia curbei de calibrare a fost verificată cu o altă măsurătoare pe NH4HCO3 cu o masă de probă definită de 15,22 mg. Cantitățile teoretice de NH3,CO2 șiH2Oau fost comparate cu valorile calculate ale NH3,CO2 șiH2Outilizând curba de calibrare. Au rezultat valori ale erorii cuprinse între 0,8% pentru NH3 și 4,9% pentruH2O; a se vedea tabelul 3.
Studiul unui agent de suflare - punerea teoriei în practică
În etapa următoare, curbele de calibrare obținute și verificate ar putea fi utilizate pentru a cuantifica eliberarea de cantități necunoscute de gaze calibrate.
Azodicarbonamida este utilizată ca agent de expandare pentru producerea spumelor polimerice (pentru structură, a se vedea figura 4). Este utilizată la fabricarea spumelor din PVC și EVA-PE, unde formează bule prin Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere la temperaturi de procesare, eliberând N2, CO,CO2 și NH3. Spuma de vinil este ușor de comprimat și prezintă o recuperare ridicată și rapidă, astfel încât este adesea denumită "elastică". De asemenea, se lipește de suprafețele netede. Din acest motiv, este utilizată pentru straturile inferioare ale covoarelor, covorașele și covorașele de yoga.
Polimerii pentru care a fost utilizat acest agent de expandare nu trebuie să intre în contact cu apa. NH3 și apa pot forma NH4OHși pot coroda mediul înconjurător. Din acest motiv, cuantificarea amoniacului din acest agent de expandare este de mare interes.
Tabelul 3: Determinarea erorilor, compararea cantităților teoretice și calculate
Teoretic (mg) | Calculată (mg) | Eroare (%) | |
| m (NH4HCO3) | 15.22 | ||
| m (NH3) | 3.28 | 3.30 | 0.801 |
| m (CO2) | 8.48 | 8.76 | 3.28 |
| m (H2O) | 3.47 | 3.31 | 4.86 |
O probă de 5,25 mg azodicarbonamidă a fost încălzită la 400°C cu 5 K/min într-o atmosferă de azot. Termograma rezultată poate fi văzută în figura 5. În total, au fost observate trei trepte de pierdere de masă de 56,5%, 11,5% și 29,6% cu vârfuri în curba DTG la 219°C, 245°C și 304°C. Urmele deCO2 și NH3 au fost create în același mod ca pentru NH4HCO3 din figura 1 și sunt reprezentate în roșu și măsliniu. Acest lucru arată că atâtCO2, cât și NH3 au fost eliberate în timpul diferitelor etape de pierdere a masei și nu pot fi cuantificate doar prin etapele TGA. Pentru cuantificarea acestui compus, sunt necesare date de la analiza gazelor evoluate. Calculul amoniacului eliberat folosind curba de calibrare a rezultat în 0,22 mg NH3 (4%). De asemenea, cantitatea deCO2 eliberat poate fi calculată în același mod și a rezultat în 2,78 mg (53%). Aceste cunoștințe sunt valoroase pentru procesul de fabricație, pentru a se asigura că întreaga cantitate de agent de umflare este eliberată în timpul spumării. În cazul în care în produs rămân urme de small, sunt necesare temperaturi mai mari de 219 °C pentru a iniția eliberarea suplimentară.
Concluzie
Combinația de termogravimetrie și spectroscopie în infraroșu este o metodă adecvată pentru detectarea eliberării de gaze permanente, de exemplu, apă, dioxid de carbon și amoniac. Nu numai identificarea, ci și cuantificarea pot fi de interes în acest caz. În acest scop, trebuie generată o curbă de calibrare cu un material cunoscut. În acest exemplu, bicarbonatul de amoniu îndeplinește perfect aceste cerințe. Curbele de calibrare pot fi create simultan pentruH2O,CO2 și NH3 prin descompunerea a trei porții diferite de NH4HCO3. Abaterile de expus au fost determinate de o a cincea măsurare. Cu acest preparat, a fost posibil să se identifice și să se cuantifice cantități necunoscute de NH3 șiCO2 din agentul de expandare azodicarbonamidă utilizat pentru spumele polimerice.