Inledning
Medan analytiska tekniker som EDX eller ICP-MS ger en detaljerad analys av kemiska element, t.ex. av dem som förekommer i ett saltprov [1], kan metoder för termisk analys användas för att också Identify och karakterisera olika kemiska föreningar som finns i ett sådant prov. Simultan termisk analys (STA), som avser termogravimetri (TGA) och differentiell svepkalorimetri (DSC) som utförs samtidigt i ett experiment, användes t.ex. för att undersöka cementråvaror, inklusive förekomst och inverkan av föroreningar från alkalimetallsalter [2]. Ett annat exempel är smältprocessen och den specifika värmekapaciteten hos fasändringsmaterialet (PCM) natriumnitrat, NaNO3, som studerades med hjälp av DSC [3].
Detta arbete handlar om STA-mätningar på NaCl, KCl, vanligt bordssalt och så kallat Himalayasalt där Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smältning, partiell avdunstning och sammansättningsanalys av salterna står i fokus. Alkalisalter som NaCl (halit) och KCl (sylvit) spelar en viktig roll i vårt dagliga liv. Medan NaCl är huvudkomponenten i bords- eller matlagningssalt kan KCl till exempel användas som vägsalt på vintern. Himalayasalt från Pakistan är ett naturligt salt som förutom NaCl innehåller olika mineraler och oxider som Fe2O3 [1], vilket är orsaken till den svagt rosa färgen (se bilden ovan).
Experimentell
Mätningarna utfördes med hjälp av STA 449 F5 Jupiter® (se figur 1). Detta instrument, som har en SiC-ugn som tillåter en maximal provtemperatur på 1600°C, kan som tillval utrustas med automatisk provväxlare (ASC) och kopplingstekniker för analys av utvecklade gaser, t.ex. MS, FT-IR eller GC-MS. Balansens vägningsområde är så brett som 35 g med en upplösning på 0,1 μg över hela området. En annan fördel med STA 449 F5 Jupiter® är programvarufunktionen TG-BeFlat® som automatiskt tar hänsyn till flytkraften så att baslinjemätningar inte längre är nödvändiga för standardtester.
De mätförhållanden som tillämpats för detta arbete sammanfattas i tabell 1.
Tabell 1: Mätförhållanden som tillämpas för detta arbete
Mätningsförhållanden | |
|---|---|
| Instrument | STA 449 F5 Jupiter® |
| Provbärare | TGA-DSC typ S |
| Tätningsglas | PtRh (0,19 ml) |
| Uppvärmningshastighet | 10 K/min |
| Provets massa | 23 ± 1 mg |
| Atmosfär | N2 |
| Flödeshastighet för reningsgas | 70 ml/min |
Proverna NaCl [4] och KCl [5] hade båda en nominell renhet på 99,8 %, medan ingen information om renheten fanns tillgänglig för bordssaltet och Himalayasaltet. Alla prover mättes som ett tunt lager korn som precis täckte degelns botten; provmaterialet var varken malet eller komprimerat.
Resultat och diskussion
I figur 2 visas den temperaturberoende massförändringen och värmeflödeshastigheten för NaCl-provet. Vid en extrapolerad starttemperatur på 802,1°C observerades en EndotermEn provövergång eller en reaktion är endoterm om det behövs värme för omvandlingen.endoterm effekt med en topptemperatur på 813°C och en entalpi på 480 J/g, vilket kan hänföras till Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smältning av provet. Starttemperaturen, som återspeglar smältpunkten, stämmer väl överens med litteraturvärdet på 801°C; entalpin på 480 J/g stämmer också väl överens med fusionsvärmevärdet på 484 J/g som finns i litteraturen [6]. Över ca 800°C uppstod en massförlust på 0,9%, vilket beror på partiell avdunstning av provet.
STA:s resultat för KCl-provet visas i figur 3. Återigen observerades Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smältning och partiell avdunstning; smältpunkten, som uppmättes till 771,4°C, överensstämmer väl med litteraturvärdet 772°C och entalpivärdet 361 J/g överensstämmer återigen med det värde på 351 J/g som rapporteras i referensen [6].
I figur 4 visas de STAresultat som erhållits för bordssaltprovet, vilka tydligt skiljer sig från resultaten för det rena NaCl-provet (jämför figur 4 och 2): Den huvudsakliga DSC-toppen börjar vid 797,2°C och ligger därmed betydligt under det värde på 802,1°C som observerats för ren NaCl; dessutom upptäcktes en ytterligare endotermisk effekt vid en extrapolerad starttemperatur på 724°C. Entalpin för den huvudsakliga smälteffekten på 499 J/g ligger i samma intervall som det värde på 480 J/g som observerats för ren NaCl, medan entalpin för den första effekten endast är 6 J/g. Dessa resultat visar att bordssaltet - som förväntat - inte är ren NaCl; DSC-kurvan som hittades för bordssaltprovet observeras typiskt för binära saltblandningar [7]. I detta fall är NaI-NaCl med en koncentration av NaI i det lägre procentområdet den mest sannolika kandidaten [7].
STAresultaten för Himalayasaltet i figurerna 5a och 5b är ännu mer komplexa än resultaten för bordssaltet. Detta kan redan ses i massförluststegen på 0,06%, 0,07%, 0,05%, 0,05%, 0,17% och 0,10% som observerades under 700°C bara för Himalayasaltprovet (se figur 5b). Under ca 400°C visade DSC-signalen endotermiska effekter som korrelerar med - och som beror på - massförluststegen; detaljer som topptemperaturer och entalpier kan ses i figur 5b. Massförlusten under ca 200°C beror troligen på att fukt frigörs och att gips (blandning av CaSO4∙2H2Ooch CaSO4∙½H2O) dehydratiseras, med en uppskattad koncentration i underprocentsområdet. Mellan ca 200°C och 400°C kan massförluststegen bero på nedbrytning av olika karbonater medan massförluststeget i intervallet 450°C kan bero på dehydrering av Ca(OH)2. För ytterligare tolkningar av massförluststegen skulle analys av utvecklad gas helt klart vara till hjälp [8]. DSC-resultatet vid över ca 580°C är också mycket komplext (se figur 5b): Åtminstone sju endoterma DSC-effekter upptäcktes. Huvudtoppen vid 799°C beror återigen troligen på en binär, NaCl-rik blandning som NaI-NaCl, KCl-NaCl [7] eller Na2CO3- NaCl [7, 9], varifrån DSC-toppen vid 712°C också kan härröra. De återstående DSC-effekterna mellan 580°C och 720°C beror förmodligen på smältprocesserna för flera jodider, fluorider, klorider, karbonater eller sulfater och blandningar av dem med NaCl eller KCl [7, 10]. Till exempel kan DSC-toppen vid 587°C bero på CaI2 eller K2SO4, den skarpa toppen vid 690°C kan bero på KI och toppen vid 679°C kan bero på en strukturell omvandling av Fe2O3 [10]. Ytterligare detaljer som topptemperaturer och entalpier kan återigen ses i figur 5b. Massförlusten för Himalayasaltet på 2,74% över 700°C (se figur 5a), som återigen beror på partiell avdunstning, är betydligt högre än för de andra undersökta proverna.
Slutsats
Undersökningar av NaCl, KCl, bordssalt och Himalayasalt med hjälp av STA 449 F5 Jupiter® visade att instrumentet är väl lämpat för studier av ämnen som alkalisalter och blandningar av dessa. Framför allt DSC-signalen, som mycket tydligt återspeglar smältprocesser och andra fasomvandlingar, gör det möjligt att undersöka fasdiagram via smälttemperaturer och till och med entalpier. TGA-signalen indikerar inte bara avdunstning av provet utan även massförlust på grund av nedbrytning av t.ex. förorenande ämnen, vilket kan identifieras och kvantifieras i flera fall.