Quantitative Analyse von Thermogravimetrie-Masse-Spektrumanalyse für Reaktionen mit weiterentwickelten Gasen

Verständnis in der Tiefe der realen Funktionen eines Prozesses Reaktion ist ein kritischer Punkt für die Entwicklung von fortschrittlichen Materialien und die Einrichtung eines neuen Energie Umwandlung System oder Metallurgie Produktion Prozess¹. Fast alle Reaktionen unter instationären Bedingungen durchgeführt werden, und weil ihre Parameter, einschließlich der Konzentration und der Durchfluss von Edukten und Produkten, immer mit der Temperatur oder Druck zu ändern, es ist schwierig, eindeutig charakterisieren die Reaktion-Funktion durch nur einen Parameter, z. B. durch die Arrhenius-Gleichung. In der Tat bedeutet die Konzentration nur die Beziehung zwischen der Komponente und die Mischung. Echte Reaktionsverhalten möglicherweise nicht betroffen sein, obwohl die Konzentration einer Komponente in eine komplizierte Reaktion weitgehend eingestellt wird, da die anderen Komponenten einen stärkeren Einfluss auf sie haben könnte. Im Gegenteil, kann die Durchflussmenge der einzelnen Komponenten, wie eine absolute Größe, überzeugende Informationen zu verstehen, die Eigenschaften der Reaktionen, geben vor allem sehr kompliziert sind.

Derzeit wurde das TG-MS-Kupplungssystem ausgerüstet mit der Elektron-Ionisation (EI)-Technik als vorherrschende Werkzeug eingesetzt, für die Analyse der Eigenschaften von Reaktionen mit weiterentwickelten Gasen^2,3,4. Allerdings ist zunächst anzumerken, dass der Ionenstrom (IC) erhalten von einem MS-System es schwierig macht, der Durchfluss oder die Konzentration des weiterentwickelten Gases direkt widerspiegeln. Massive IC Überlappung, Fragment, schwere Massendiskriminierung und Verbreitung Wirkung von Gasen in den Ofen ein Thermogravimeter können die Quantitative Analyse für TG-MS⁵erheblich behindern. EI ist die häufigste und leicht verfügbaren starke Ionisation Technik. Ein MS-System ausgestattet mit EI leicht führt in Fragmenten und spiegelt nicht oft direkt einige organische Gase mit einem größeren Molekulargewicht. Daher entwickelt MS Systeme mit verschiedenen weichen Ionisation Techniken (z. B.Photoionization [PI]) sind gleichzeitig erforderlich, um zu einem Thermobalance getrennt werden und auf Gas-Analyse-⁶. Drittens: die Intensität des IC bei einigen Masse-Ladungs-Verhältnis (m/Z) kann nicht verwendet werden, um die dynamische Charakteristik der Reaktionsgas bestimmen, da es oft von den anderen beeinflusst wird ICs für eine komplexe Reaktion mit Multicomponent entwickelt Gase. Zum Beispiel bedeutet der Rückgang der IC-Kurve eines bestimmten Gases einen Rückgang ihrer Durchfluss oder Konzentration nicht notwendigerweise; Stattdessen ist vielleicht es die anderen Gase in das komplexe System betroffen. Daher ist es wichtig, alle Gase ICs, sicherlich mit einem Trägergas und Inertgas berücksichtigen.

Quantitative Analyse basierend auf Massenspektrum stark hängt in der Tat, die Bestimmung der Kalibrierfaktor und relative Empfindlichkeit des TG-MS Systems. Maciejewski und Baiker⁷ untersucht in einem thermischen Analyzer-Massenspektrometer (TA-MS) System, in dem der TA durch eine beheizte Kapillare zu einem Quadrupol-MS, die Wirkung der experimentellen Parameter, einschließlich der Konzentration von Gasen Arten verbunden ist, Temperatur, Durchfluss und Eigenschaften des Trägergases auf die Empfindlichkeit der massenspektrometrischen Analyse. Die entwickelten Gase wurden durch die Zersetzung der Feststoffe über eine bekannte, stöchiometrische Reaktion und Injektion eine bestimmte Menge Gas in den Gasstrom Träger mit einer konstanten Rate kalibriert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass es eine negative lineare Korrelation der MS signal Intensität des zu derjenigen der Träger Gasvolumenstrom entwickelte Gas und das entwickelte Gas, die MS Intensität durch die Temperatur und die Menge des analysierten Gases nicht beeinflusst wird. Darüber hinaus anhand der Kalibriermethode, Maciejewski Et al. ⁸ erfand den Puls, die thermische Analyse (PTA)-Methode, die ermöglicht es, die Durchflussmenge bestimmen, indem Sie gleichzeitig überwachen die Veränderungen der Masse, Enthalpie und gas-Komposition aus dem Kurs Reaktion geführt. Allerdings ist es immer noch schwer zu überzeugend Auskunft über die komplizierte Reaktion (z.B. Kohle Verbrennung/Vergasung) mithilfe der traditionellen TG-MS-Analyse oder PTA-Methoden.

Um die Schwierigkeiten und Nachteile der traditionellen Mess-und Analyseverfahren für die TG-MS-System zu überwinden, haben wir die Quantitative Analyse-Methode der ECSA⁹entwickelt. Das Grundprinzip der ECSA basiert auf der TG-MS-Kopplung-Mechanismus. Die ECSA kann alle Gase ICs, einschließlich der Reaktionsgase, Träger Gase und inerte Gase berücksichtigen. Nach dem Bau der Kalibrierfaktor und relative Empfindlichkeit etwas Gas, kann die reale Masse oder molare Strömungsgeschwindigkeit des jede Komponente bei der Berechnung der IC Matrix (d. h. das Massenspektrum von TG-MS) bestimmt werden. Im Vergleich mit den anderen Methoden, ECSA für das TG-MS-System effektiv trennen das überlappende Spektrum und beseitigen die Massendiskriminierung und die temperaturabhängige Wirkung der TG. Die Daten von ECSA haben erwies sich als zuverlässig über einen Vergleich zwischen den Massenstrom von weiterentwickelten Gas und Masseverlust Daten durch differenzielle Thermogravimetrie (DTG). In dieser Studie haben wir eine erweiterte TG-DTA-EI/PI-MS Instrument¹⁰ Experimente (Abbildung 1) durchzuführen. Dieses Instrument besteht aus einem zylindrischen Quadrupol MS und eine horizontale Thermogravimetrie-Differential thermische Analyzer (TG-DTA) mit EI und PI-Modus und mit einem Skimmer-Schnittstelle ausgestattet. ECSA für das TG-MS-System bestimmt die Physik-Parameter aller entwickelten Gase durch den Einsatz der tatsächlichen TG-MS Kupplungsmechanismus (d.h. eine gleich Relativdruck) der quantitativen Analyse durchzuführen. Der Gesamtprozess der Analyse beinhaltet eine Kalibrierung, der Test selbst und Daten Analyse (Abbildung 2). Wir präsentieren zwei Beispiel-Experimente: (1) die Zersetzung von CaCO₃ mit nur entwickelt Gas CO₂ und die Zersetzung des Hydromagnesite mit weiterentwickelten Gas von CO₂ und H₂O, die ECSA auf einem Einkomponenten-System zu bewerten Mess- und (2) die thermische Pyrolyse von Braunkohle mit weiterentwickelten Gasen anorganische Gase CO, H₂und CO₂und organischen Gasen CH₄, C₂H₄, C₂H₆, C₃H₈, C₆H₁₄, etc., um die ECSA auf eine Mehrkomponenten-System-Messung zu bewerten. ECSA basiert auf dem TG-MS-System ist eine umfassende Lösungsmethode quantitativ Bestimmung der Höhe der weiterentwickelten Gas im thermischen Reaktionen.