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 (ecuația 1 de mai jos) este motivul aplicării sale ca propulsor lichid în motoarele de rachetă.
Calorimetrul cu module multiple (MMC) comparat cu Calorimetria diferențială de scanare (DSC)
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 puțin de 5% pentru determinările de entalpie.
Modul de scanare și modul ARC®
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 soluțiilor apoase de peroxid de hidrogen de concentrații diferite. 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 sunt utilizate pentru aceste studii: modulul de scanare (a se vedea figura 2) pentru examinarea probelor 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) pentru studiile 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 (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search este un mod de măsurare utilizat în dispozitivele calorimetrice în conformitate cu calorimetria accelerată (ARC®).HWS). Prin intermediul unui încălzitor extern care înconjoară direct vasul cu probe (figura 4), modulul de scanare poate furniza probei un nivel constant de putere.
Condiții de măsurare
Peroxidul de hidrogen (Sigma Aldrich) a fost primit sub formă de soluție apoasă (35%) și depozitat la temperatura ambiantă. Soluția de peroxid de hidrogen a fost utilizată așa cum a fost primită și a fost diluată cu apă purificată pentru a observa mai multe concentrații mai mici. Compoziția probelor diluate este rezumată în tabelul 1 și tabelul 2. Condițiile de măsurare pentru modulele de scanare și 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® sunt comparate în tabelul 3.
Tabel 1: Compoziția probelor pentru screening (Modul de scanareUn modul calorimetric care face parte din modulul calorimetric multiplu (Multipe Module Calorimeter - MMC) care permite testarea prin scanare a unei probe. Această procedură poate servi ca un test de screening pentru a detecta un potențial de pericol termic într-un timp de măsurare rezonabil de scurt.modul de scanare)
| Numărul eșantionului | Concentrația eșantionului/% | H2O2/g | H2O/g | Total/g |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 35 | 1.03106 | 0.0 | 1.03106 |
| 2 | 26 | 0.75757 | 0.25623 | 1.0138 |
| 3 | 17 | 0.5148 | 0.52494 | 1.03974 |
| 4 | 8.6 | 0.25169 | 0.7741 | 1.02579 |
| 5 | 4.3 | 0.12376 | 0.88605 | 1.00981 |
| 6 | 2.6 | 0.07316 | 0.92551 | 0.99867 |
| 7 | 1.1 | 0.03099 | 0.96707 | 0.99806 |
| 8 | 0.4 | 0.01215 | 1.00176 | 1.01391 |
Tabel 2: Compoziția probelor pentru testarea 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".adiabatică (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® Modul)
| Numărul probei | Concentrația eșantionului/% | H2O2/g | H2O/g | Total/g |
|---|---|---|---|---|
| 9 | 35 | 1.02157 | 0.0 | 1.02157 |
| 10 | 17 | 0.74935 | 0.52494 | 1.00359 |
| 11 | 8.6 | 0.51466 | 0.50962 | 1.02428 |
| 12 | 4.3 | 0.25036 | 0.77525 | 1.02561 |
| 13 | 2.6 | 0.14776 | 0.877248 | 1.02034 |
Tab 3: Condiții de măsurare
| Modul 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 | Scanare | |
| Materialul vasului | Oțel inoxidabil | Oțel inoxidabil |
| Tipul recipientului | Închis | Închis |
| Masa vasului | 7.0 până la 7,25 g | 7.0 până la 7,25 g |
| Încălzire | Putere constantă (250 mW) | |
| Atmosferă | Aer | Aer |
| Rata gazului de purjare | Statică | Statică |
| Interval de temperatură | RT ... 250°C | RT ... 250°C |
| Masa probei | 998.67 până la 1039,74 mg | 1003.6 până la 1025,6 mg |
Rezultate și discuții
În funcție de modificarea capacității termice a probelor, puterea de intrare constantă determină de obicei o rată de încălzire aproape constantă a probei. Figura 5 prezintă rezultatul încălzirii peroxidului de hidrogen (35%) cu ajutorul modulului de scanare la o putere de intrare constantă de 250 mW. Rata de încălzire rezultată este de aproximativ 1 K/min pentru primele 60 de minute. După o oră, 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 începe și produce căldură suplimentară. În timpul reacției de Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere, rata de încălzire crește până la un maxim de 5,6 K/min, iar presiunea detectată crește și ea. Conform ecuației 1, 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 generează oxigen. Pe lângă evaporarea apei, această formare de gaz este principalul motiv pentru creșterea presiunii în timpul încălzirii.
Compararea comportamentului H2O2,H2Oși Vas 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.
H2O2 cu diferite concentrații
În special atunci când se compară cu apa, se poate observa că evaporarea - care are loc într-o oarecare măsură chiar și în interiorul unui sistem de vase închise - este întotdeauna reversibilă. Acest lucru este confirmat de semnalul de presiune la 40°C după răcire. Pe de altă parte, 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 produce o cantitate specifică de gaz. Prin urmare, se așteaptă ca semnalul de presiune să fie proporțional cu cantitatea absolută de peroxid de hidrogen din soluție. La repetarea acestor teste cu probe de concentrații diferite de peroxid de hidrogen, creșterea presiunii în timpul testului ar trebui să fie proporțională cu concentrația de peroxid de hidrogen. Figura 7 compară rezultatele de încălzire pentru probele 1-6. Concentrațiile de peroxid de hidrogen asociate sunt rezumate în tabelul 1.
Corelația dintre concentrația de H2O2 și presiune
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 este indicată de creșterea vitezei de încălzire măsurată la eșantion, precum și de creșterea presiunii. În figura 8, este evaluat semnalul presiunii rămase după reacție și după răcirea la 42°C. Există o corelație aproape perfect liniară a presiunii cu concentrația de peroxid de hidrogen a probei. Această corelație este reprezentată în figura 9.
Diferite concentrații de H2O2 investigate cu modululARC®
Diverse concentrații de H2O2 analizate 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® O serie similară de concentrații apoase de peroxid de hidrogen a fost analizată și cu ajutorul 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 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 (figura 3). Concentrațiile de peroxid de hidrogen asociate sunt rezumate în tabelul 2. 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 a determina în mod specific temperatura de început a descompunerii prin intermediul unui așa-numit program 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 (Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search este un mod de măsurare utilizat în dispozitivele calorimetrice în conformitate cu calorimetria accelerată (ARC®).HWS). Cu ajutorul secvenței de încălzire, echilibrare și detectare, 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 a probei este determinată în condiții cvasi-izotermice și apoi, proba este investigată în 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 [1, 2].
Rezultatele pentru concentrații de peroxid de hidrogen de 35%, 17% și 8,6% sunt prezentate în figura 10. După cum era de așteptat, rezultatele confirmă o creștere mai mică a temperaturii (ΔTobs) în condiții adiabatice pentru concentrații mai mici de peroxid de hidrogen. Temperatura la care este detectată 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 (debutul) crește pentru concentrații mai mici din cauza eliberării mai mici de energie (90°C și 110°C). Rata maximă de autoîncălzire pentru concentrații de peroxid de hidrogen mai mici de 5% este mai mică de 0,02 K/min. Acesta este motivul pentru care nu sunt detectate evenimente exotermice într-un astfel de caz. Etapele de creștere a temperaturii (ΔTobs) detectate în timpul segmentelor adiabatice ale mai multor teste Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search este un mod de măsurare utilizat în dispozitivele calorimetrice în conformitate cu calorimetria accelerată (ARC®).HWS sunt prezentate în figura 11.
Concluzie
Aceste rezultate demonstrează foarte bine capacitatea de screening a modulului de scanare MMC. În cazul reacțiilor puternic exotermice, 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 va crește semnificativ - peste nivelul de aproximativ 1 K/min - ca urmare a alimentării constante cu energie. Astfel, atunci când o probă necunoscută prezintă 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. descompunereExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură.exotermică, aceasta poate fi recunoscută în câteva ore. Imediat ce potențialul periculos este recunoscut, se recomandă 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 utilizând un modul MMC 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® [1]. Un astfel de test Heat-Wait-Search (HWS)Heat-Wait-Search este un mod de măsurare utilizat în dispozitivele calorimetrice în conformitate cu calorimetria accelerată (ARC).HWS poate dura cu ușurință o zi întreagă, dar, pe de altă parte, este mult mai relevant pentru echilibrul termic decât un test de scanare [2].
În plus, rezultatele prezentate mai sus demonstrează foarte bine utilitatea semnalului de presiune. Puterea de intrare constantă de 250 mW permite o rată de încălzire de aproximativ 1 K/min pentru o probă apoasă de 1 g. Probele care au o concentrație de peroxid de hidrogen mai mică de 5% nu depășesc această rată de încălzire prin energia eliberată în timpul reacției de Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere. Aceasta înseamnă că, prin 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 a probei, reacția de Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere pentru concentrații scăzute este mascată de puterea absorbită. Semnalul de presiune, în schimb, nu este afectat de puterea absorbită. Prin urmare, acesta poate fi considerat un indicator semnificativ al faptului că a avut loc sau nu o Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. reacție de descompunere, în special în cazul concentrațiilor scăzute.