Tiểu luận môn động học xúc tác các phương pháp phân tích nhiệt

I: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỆT LÀ GÌ?Là phương pháp phân tích mà trong đó các tính chất vật lý cũng như hoá học của mẫu được đo một cách liên tục như những hàm của nhiệt độ..  Nhiệt đ

MỤC LỤC

I, Phương pháp phân tích nhiệt là gì?

II, Phân tích nhiệt vi sai ( DTA)

III, Quét nhiệt vi sai (DSC)

IV, Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)

I: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỆT LÀ GÌ?

Là phương pháp phân tích mà trong đó các tính chất vật lý cũng như hoá học của mẫu được đo một cách liên tục như những hàm của nhiệt độ

 Nhiệt độ ở đây thay đổi theo quy luật định sẵn

( thông thương thay đổi tuyến tính theo thời gian) trên

cơ sở thay đổi lý thuyết thay đổi về nhiệt động học,

từ sự thay đổi các tính chất đó ta có thể xác định được

các thông số yêu cầu của việc phân tích.

KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH CỦA PHÉP PHÂN TÍCH

 Nhiệt độ chuyển pha

 Khối lượng mất đi

 Biến đổi về kích thước

 Tính chất nhờn, đàn hồi

Thông tin mà phương pháp mang lại rất

quan trọng đối với việc nghiên cứu và phát

triển 1 loại sản phẩm

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NHIỆT CHÍNH

Quét nhiệt vi sai (DSC) Nhiệt vi sai (Phân tích DTA)

Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA).

II PHÂN TÍCH NHIỆT VI SAI (DTA)

1. Cơ sở của phương pháp

 DTA (differential thermal analysis ): Là phương pháp phân tích

nhiệt dựa trên việc thay đổi nhiệt độ của mẫu đo và mẫu chuẩn được xem như là một hàm của nhiệt độ

 Những tính chất của mẫu chuẩn là hoàn toàn xác định, một yêu

cầu về mẫu chuẩn là nó phải trơ về nhiệt độ.

 Đối với mẫu đo thì luôn xảy ra một trong hai quá trình giải phóng

và hấp thụ nhiệt khi ta tăng nhiệt độ của hệ, ứng với mỗi quá

trình này sẽ có một trạng thái chuyển pha tương ứng.

 Khoảng thay đổi nhiệt độ vi phân ( deltaT) đối với nhiệt độ điều

khiển T mà tại đó toàn bộ hệ thay đổi sẽ cho phép phân tích nhiệt

độ chuyển pha và xác định đây là quá trình chuyển pha tỏa nhiệt hay thu nhiệt.

Phân biệt các nhiệt độ đặc trưng

Hành vi kết tinh và nóng chảy của vật liệu

Nhiệt độ kết tinh và nóng chảy.

II PHÂN TÍCH NHIỆT VI SAI (DTA)

2 Tính năng của phương pháp

Hình 1: Sơ đồ đo đường DTA và đường DTA

II PHÂN TÍCH NHIỆT VI SAI (DTA)

NGUYÊN LÝ ĐO DTA

NGUYÊN LÝ KẾT HỢP GHI DTA VÀ T

1 Lò điện 2 mẫu nghiên cứu 3 Mẫu chuẩn

4 cặp pin nhiệt điện vi sai 5 Đường nhiệt độ mẫu nghiên cứu

6 đường DTA

• Một hệ đo DTA có các bộ phận chủ yếu sau:

Hai giá giữ mẫu bao gồm cặp nhiệt, bộ phận chứa mẫu

Một lò nhiệt

Một thiết bị điều khiển nhiệt độ

Một hệ ghi kết quả đo

4 THIẾT BỊ ĐO

II PHÂN TÍCH NHIỆT VI SAI (DTA)

Sơ đồ hệ đo

Lò chứa mẫu có dạng đối xứng gồm hai buồng và có chứa một cặp nhiệt Mẫu đo được đặt trong một buồng và vật liệu chuẩn ( α-AlAl2O3) được đặt trong buồng còn lại Lò

và buồng chứa vật mẫu được tăng nhiệt độ tuyến tính, thường là 5 đến 12oC bằng cách tăng điện áp qua sợi đốt thông qua biến thế hoặc cặp nhiệt điện có điều khiển

• Bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại cao, vào khoảng 1000 lần, nhiễu thấp, có thể khuếch đại tín hiệu cỡ µV Tín hiệu ghi trên trục y của bộ ghi mili vôn kế

DTA 551 EX Macro DTA 551 REZ

MẪU PHÂN TÍCH DTA- TGA

Mẫu có độ bền nhiệt cao, gần tới 300 o mẫu bắt đầu bị phân hủy

và tới 400 o bị phân hủy hoàn toàn

III QUÉT NHIỆT VI SAI (DSC)

DSC ( Differential Thermal Analysis) là phương pháp phân tích nhiệt mà ở đó độ chênh lệch về nhiệt độ ∆T giữa hai mẫu chuẩn và mẫu nghiên cứu luôn được duy trì bằng không

Thay vào đó người ta sẽ xác định entanpy của các quá trình này bằng cách xác định lưu lượng nhiệt vi sai cần để duy trì mẫu vật liệu và mẫu chuẩn trơ ở cùng nhiệt độ Nhiệt độ này thường được lập trình để quét một khoảng nhiệt độ bằng cách tăng tuyến tính ởmột tốc độ định trước Ta sẽ xác định được năng lượng đó thông qua tính diện tích giới hạn bởi đồ thị mà chúng ta thu được

1 Cơ sở của phương pháp

DSC cũng cho chúng ta những thông tin về sự chuyển pha của vật chất Trong những nghiên cứu về chuyển pha, người

ta hay sử dụng phương pháp này vì nó cho chúng ta những thông tin trực tiếp về năng lượng chuyển pha.

Dụng cụ cũng có thể được dùng để xác định nhiệt dung, độ phát xạ nhiệt và độ tinh khiết của mẫu rắn.

DSC có thể đo được các hiện tượng chuyển pha: nóng

chảy, kết tinh, thủy tinh hóa hay nhiệt của phản ứng hóa học.

III QUÉT NHIỆT VI SAI (DSC)

2 TÍNH NĂNG CỦA PHƯƠNG PHÁP

III QUÉT NHIỆT VI SAI (DSC)

3 THIẾT BỊ ĐO

Sơ đồ cung cấp nhiệt của DSC loại thông lượng nhiệt (a)

và loại bổ chính công suất (b)

III QUÉT NHIỆT VI SAI (DSC)

3 Thiết bị đo

Khi xuất hiện sự chuyển pha trong mẫu lượng sẽ được thêm vào hoặc mất đi trong mẫu nghiên cứu hoặc mẫu chuẩn để có thể duy trì sự cân bằng nhiệt độ giữa các mẫu Vì giá trị năng lượng đưa vào tương ứng chính xác với giá trị năng lượng hấp thụ

hoặc giải phóng của sự chuyển pha nên năng lượng cân bằng này sẽ được ghi lại và cung cấp kết quả đo trực tiếp cho năng lượng chuyển pha

Để đạt độ chính xác cao nhất về nhiệt trong phương pháp DSC thì cặp nhiệt và mẫu chuẩn phải được thiết kế để không tiếp xúc trực tiếp với mẫu

3 Thiết bị đo

• Trong phân tích DSC, có hai loại thiết bị chính là thông lượng nhiệt (heat flux) và loại bổ chính công suất (power compensation) Các bộ phận chính của DSC:

Giá giữ mẫu bao gồm cặp nhiệt, bộ phận chứa mẫu

Lò nhiệt

Thiết bị điều khiển nhiệt độ

Hệ ghi kết quả đo.

III QUÉT NHIỆT VI SAI (DSC)

MÁY PHÂN TÍCH NHIỆT

QUÉT VI SAI DSC

MỘT SỐ THIẾT BỊ ĐO

III QUÉT NHIỆT VI SAI (DSC)

GIẢN ĐỒ DTA, DSC ĐIỂN HÌNH

•ΔΤ =0 → đường nền

•ΔΤ ›0 → peak tỏa nhiệt,quay lên

•ΔΤ ‹0 → peak thu nhiệt,quay xuống

HIỆU ỨNG THU NHIỆT

Hiệu ứng thu nhiệt trên đường DSC và các đặc trưng của peak

 Các nhiệt độ trên peak được xác định như sau:

 Tim là nhiệt độ tại đó tín hiệu bắt đầu lệch khỏi đường nền

 Teim còn gọi là nhiệt độ bắt đầu của hiệu ứng

(onset point) là giao điểm của đường nền (nối điểm Tim và Tfm ) vói tiếp tuyến qua điểm uốn

 Tpm là nhiệt đọ tại đỉnh peak

 Tfim còn gọi là nhiệt độ kết thúc của hiệu ứng (endset point) là giao điểm của đường nền (nối điểm Tim và Tfm) với tiếp tuyến qua điểm uốn

 Tfm là nhiệt độ tại đó peak bắt đầu trở lại điểm uốn

Hiệu ứng tỏa nhiệt trên đường DSC và các đặc trưng của peak

Hiệu ứng tỏa nhiệt

Tic là nhiệt độ tại đó tín hiệu lệch khỏi đường nền

Teic còn gọi là nhiệt độ bắt đầu của hiệu ứng là giao điểm của đường nền ( nối điểm Tic và Tfc) và tiếp tuyến của nó tại điểm uốn

Tpc là nhiệt đọ tại đỉnh peak

Tfic còn gọi là nhiệt độ kết thúc của hiệu ứng (endset point) là giao điểm của đường nền ( nối điểm Tic và Tfc) với tiếp tuyến qua điểm uốn

Tfc là nhiệt độ tại đó peak bắt đầu trở lại đường nền 

 

CÁC NHIỆT TRÊN PEAK ĐƯỢC XÁC ĐỊNH NHƯ SAU

IV PHÂN TÍCH NHIỆT TRỌNG LƯỢNG

(TGA)

• TGA ( Thermogravimetric analysis): phương pháp dựa trên cơ sở xác định khối lượng của mẫu vật chất

bị mất đi( hoặc nhận vào) trong quá trình chuyển

pha như là một hàm của nhiệt độ

• Phép đo TGA nhằm xác định:

 Khối lượng bị mất trong quá trình chuyển pha.

 Khối lượng bị mất theo thời gian và theo nhiệt độ

do quá trình khử nước hoặc phân ly

2 Tính năng của phương pháp

Các quá trình diễn ra trong phương pháp phân tích này thông thường là bay hơi, huỷ cấu trúc, phân huỷ cácbonat, oxihoá sulphua, oxihoá florua, tái dyrat hoá…

Xác định thành phần khối lượng các chất có mặt trong một mẫu chất nào đó

Bên cạnh đó, ta xác định được thành phần độ ẩm, thành phần dung môi, chất phụ gia, của một loại vật liệu nào đó.

IV PHÂN TÍCH NHIỆT TRỌNG LƯỢNG

(TGA)

3 Thiết bị đo

Một hệ đo bao gồm

2 giá giữ mẫu gồm cặp nhiệt độ và bộ phận giữ mẫu

1 lò nhiệt

1 thiết bị điều khiển

1 hệ ghi kết quả đo

Sensor khối lượng

Mẫu được cân liên tục tới nhiệt độ nung nóng và bay hơi

IV PHÂN TÍCH NHIỆT TRỌNG LƯỢNG

(TGA)

IV PHÂN TÍCH NHIỆT TRỌNG LƯỢNG (TGA)

SƠ ĐỒ LÀM VIỆC

4.ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP (TGA)

• Ưu điểm

Tương đối dễ sử dụng

Cung cấp dữ liệu định lượng

• Nhược điểm

Không xác định được nguyên nhân gây thay đổi khối lượng.

Là phương pháp phá huỷ mẫu

Sai sót trong hệ thống gia nhiệt, khối lượng của mẫu, và hệ thống thanh

lọc khí trong phân tích

Mất khối lượng bao gồm các quá trình phân hủy, cháy

Tăng khối lượng nhìn chung do sự oxi hoá, hấp phụ

Khi bị

đốt nóng

5 ĐƯỜNG CONG TG VÀ DTG

Biểu diễn đường TG của hai trường hợp

CÔNG THỨC TÍNH PHẦN TRĂM MẤT KHỐI LƯỢNG

Đường nhiệt trọng lượng vi phân DTG

Sau khi thu được TG, có thể lấy đạo hàm bặc nhất để thu được đường nhiệt trọng lượng vi phân Có thể vi phân theo thời gian hoặc theo nhiệt độ

Xác định nhanh chóng tốc độ biến đổi của mẫu trong quá trình nung

Xác định nhanh chóng điểm uốn TG

Cho phép xác định chính xác điểm bắt đầu xảy ra biến đổi

Đường

DTG

Đường nhiệt trọng lượng vi phân DTG

Mẫu phân tích TGA của CaC O H O2 4 2

IV PHÂN TÍCH NHIỆT TRỌNG LƯỢNG

(TGA)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Thermal Analysis Techniques, H K D H

Bhadeshia, Dep Materials Science &

Metallurgy, University of Cambridge, 1998

2. [Thermal]T Hatakeyama, Liu Zhenhai

Handbook of Thermal Analysis 1999

3. và các tài liệu khác