Алматы
Almaty
Алматы, Курчатов
Almaty, Kurchatov
Алматы
Almaty
Моделирование термогравиметрических экспериментов является неотъемлемым инструментом для понимания физических и химических процессов, протекающих во время исследований. Этот подход помогает улучшить качество данных и получить более полное представление о происходящих процессах во время термогравиметрического анализа.
В данной работе приведено описание процедуры моделирования ТГА-эксперимента на гравиметре Mettler Toledo TGA/DSC 3+, который совместно с масс-спектрометром, генератором влажности и аналитическими весами входит в состав аналитического комплекса ТиГРа (НЯЦ РК, Курчатов, Казахстан). Приводится описание задачи моделирования процессов теплопереноса в гравиметре, процесса массопереноса реакционного газа и продуктов реакций в камере гравиметра, а также процессов химического взаимодействия литиевой керамики с реакционным газом во время проведения ТГА-экспериментов. В качестве продувочного газа рассматривался гелий с примесью кислорода и паров воды.
Расчеты, проведенные с использованием разработанной модели, показывают, что при скорости подачи продувочного газа 100 мл/сек градиент температуры по образцам будет составлять 2–2,5 ℃, а скорость движения газа в засыпке не будет превышать 0,5 мм/сек. Установлено, что концентрации CO2, уносимого потоком гелия, над засыпкой и в зоне выхода (в зоне пробозабора масс-анализатора) при различных температурах могут отличаться до 22 раз.
Таким образом, с помощью разработанной модели можно рассчитывать концентрации СО2, СО и Н2 в любой точке печи термогравиметра непосредственно над исследуемым образцом, внутри и/или вне засыпки, в области напуска реакционной смеси и в области пробозабора масс-анализатора и т.д. Также, при необходимости, можно определять коэффициенты перерасчета концентраций в различных участках засыпки относительно измеренного значения. С помощью данной модели можно определить параметры химических реакций – начальную концентрацию углерода в засыпке, энергию активации реакций и концентрацию примесей О2 и Н2О в продувочном гелии, добиваясь совпадения расчетных и зарегистрированных с помощью масс-анализатора кривых. Разработанная модель имеет практический потенциал для дальнейшего расширения ее аналитических возможностей за счет уточнения списка химических реакций.
Modeling of thermogravimetric experiments is an essential tool for understanding the physical and chemical processes that occur during research. This approach helps improve data quality and gain a better understanding of what is going on during thermogravimetric analysis.
This paper describes the procedure for modeling a TGA experiment on a Mettler Toledo TGA/DSC 3+ gravimeter, which, together with a mass spectrometer, a humidity generator, and an analytical balance, is part of the TiGRа analytical complex (NNC RK, Kurchatov, Kazakhstan). A description is given of the problem of modeling heat transfer processes in a gravimeter, the process of mass transfer of the reaction gas and reaction products in the gravimeter chamber, as well as the processes of chemical interaction of lithium ceramics with the reaction gas during TGA experiments. Helium with an admixture of oxygen and water vapor was considered as the purge gas.
Calculations carried out using the developed model show that at a purge gas supply rate of 100 ml/s, the temperature gradient across the samples will be 2–2.5 ℃, and the gas velocity in the pebble bed will not exceed 0.5 mm/s. It has been established that the concentrations of CO2 carried away by the helium flow above the backfill and in the exit zone (in the sampling zone of the mass analyzer) at different temperatures can differ up to 22 times. Thus, using the developed model, it is possible to calculate the concentrations of CO2, CO, and H2 at any point of the thermogravimeter furnace directly above the test sample, inside and/or outside the pebble bed, in the area of the reaction mixture inlet and in the sampling area of the mass analyzer, etc. Also, if necessary, it is possible to determine the coefficients for recalculating concentrations in different sections of the pebble bed relative to the measured value. Using this model, it is possible to determine the parameters of chemical reactions – the initial concentration of carbon in the pebble bed, the activation energy of the reactions, and the concentration of O2 and H2O impurities in the purge helium, achieving the coincidence of the calculated and recorded curves using a mass analyzer. The developed model has a practical potential for further expansion of its analytical capabilities by refining the list of chemical reactions.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.