Reaksiyon Kinetiği ve I Yanma Dinamikleri<sub&gt; 4</sub&gt; O<sub&gt; 9</sub&gt; Ve Alüminyum Karışımları

Özet

Tetraiodine öğretmektir (I ₄ O ₉₎ ve alüminyum (Al) oluşan bir reaktif karışımın alev hızları ölçmek için bir protokol verilmektedir. Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC) ile reaksiyon kinetiği çözülmesi için bir yöntem olup, aynı zamanda sunulmuştur. Ben ₄ O ₉ başka iyodin (V) oksit% 150 daha fazla reaktif olduğu bulunmuştur.

Özet

Tetraiodine öğretmektir (l ₄ O ₉₎ hidratlanmış türlerin giriş olmadan element oksijen ve iyot birleştiren kuru yaklaşım kullanılarak sentezlenmiştir. sentez yaklaşımı ortam havasının bağıl neme maruz kaldığında hızlı hidrasyon teşvik topochemical inhibe etmektedir. Bu kararlı, amorf, nano partikül madde diferansiyel tarama kalorimetresi (DSC), termal gravimetrik analiz (TGA) ile analiz edildi ve ₄ ile O ₉ dönüşüme düşük sıcaklıkta bir ekzotermik enerjinin serbest (yani, 180 ° C) gösterdi Ben ₂ O _5. Bu ek ekzotermik enerji salıverme genel reaktivitesi artışa katkıda Al + I ₂ O ₅ kıyasla alev hızı% 150 artış en az sonuçlanan nano alüminyum (Al), toz ile karıştırılmış, kuru ₄ O _9. Bu çalışma, bir oksitleyici olarak, ben ₄ O ₉ daha sahip olduğunu göstermektedirI ₄ O ₉ çevresindeki ortamdan su emilimini inhibe etmek için pasifleştirilmiş olabilir, özellikle de iyot (V) oksit diğer formları daha reaktif potansiyeli, Al ile birlikte.

Giriş

Birçok iyot oksit bileşikleri vardır (örneğin, HIO _{3, 3} O ₈ HI, ben ₂ O _5, ben ₄ O ₉₎ ama bir çoğunlukla alüminyum (Al) ile reaksiyona için çalışılan diiyodür pentoksit, ben ₂ O ₅ ^{1 - 16.} Al ile yanma için I ₂ O ₅ kullanmamızın nedeni vardır: (1) ₂ O ₅ yanma uygulamaları için güçlü bir oksitleyici yapan beş oksidasyon durumu vardır; (2) ₂ O ₅ atmosfer koşullarına bağlı olarak, yarı-kararlı ve kolayca toz formunda kullanılır; ve (3) ₂ O ₅ üretilmesi için nispeten kolay ve hali hazırda mevcuttur.

Çalışılmıştır iyot oksit diğer formları ₃ O _8, HI HIO ₃ ve ben ₄ O _9. Isıtıldığında düşük sıcaklıklarda (yani, 180 ° C), ben ₄ O ₉Eşitlik (1) 'de gösterilen ve ayrışma reaksiyonu ekzotermik olduğu için rmally I ₂ O ₅ ⁶ parçalanır.

(1) 5I ₄ O ₉ 9I ₂ → O ₅ + I ₂

I ₄ O ₉ Al, ateşleme ve reaksiyon sıcaklıklarında (yani, <660 ° C'nin altındaki sıcaklıklarda nedeniyle I ₄ O ₉ egzotermik ayrışmasına I ₂ O _5, artırabilir reaksiyonundan serbest kalan toplam enerjinin yerine kullanılabilir ise ) ve ₂ O ₅ (yani, yaklaşık 350 ° C), ayrışma sıcaklığının altında. Ayrıca, ₄ O ₉ 8 oranında üretir.% Daha fazla I ₂ gaz biyolojik ajanlar nötralize etmek için kullanılabilir I ₂ O ₅ ile karşılaştırıldığında. Ancak, ₂ O ₅ ile karşılaştırıldığında I ₄ O ₉ daha yüksek bir molekül ağırlığına sahiptir ve daha fazla enerji ise bilinmemektedirI ₂ O ₅ ile karşılaştırıldığında ₄ O ₉ G kullanırken kütle başına veya hacim başına yayınladı. Katı iyot ve ateşleme üzerine büyük miktarlarda taşımak için bir yol sağlayabilir ben ₄ O ₉ kullanarak, gaz iyot bırakın. Ama, ben ₄ O ₉ toz genellikle kararsızdır. Aslında, Wikjord ve ark., ⁶ çok kısa sürelerde üzerinde ₄ O ₉ Hatta atmosfere sınırlı maruz kalma ile I ₂ O ₅ ayrılmıştır gösterdi. Bu istikrarsızlık yakma uygulamalarında bir oksitleyici olarak ben ₄ O ₉ kullanımlarını sınırlandırmaktadır.

Bu hio ₃ ve HI ₃ O _8, I ₂ O ₅ atmosferin bağıl nemde (RH) veya bir ^{sıvı, 1,3} daldırma ya da suya maruz formu olarak iyodik asit. Yanma uygulamaları için, ben ₂ O ₅ genellikle evaporati nedeniyle hidratlı iodic asitler tercih ediliryanma üzerine su üzerinde enerjiyi emer ve üretilen toplam ısıyı azaltır. Bu faz değişim endotermik doğasına rağmen, Smith ve ark. ³ Al yanması sırasında suyun hızlı buharlaşmasını gösterdi I ₂ O ₅ kısmen konvektif enerji taşıma artmış ve Al daha yüksek alev hızları üretilen önemli gaz nesil üretilen iodic asitlerden oluşan + Ben yalnız ₂ O _5. Spesifik olarak, iyodik asit yüksek konsantrasyonlarda karışımlar iyodik asit konsantrasyonları ile karışımlar% 300 daha yüksek alev hızına kadar kaldı. ³

atmosfer su emme hızı, RH bağlıdır. Bir RH emme başlar eşik ve hidrasyon durumuna ^2. bağımlı bulunmaktadır. Diğ Küçük. HIO ₃ ve HI ₃ O ₈ ² için% 40 RH eşik için% 70'lik bir bağıl nem eşiğini gösterdi. Buradan, varsayılmıştır RH eşikartan hidrasyon devletleri ile artar. Çünkü onun eriyip özellikleri, bir oksitleyici olarak ben ₂ O ₅ kullanmak çalışmaların çoğu aslında iodic asit ^2,5,7,17 önemli konsantrasyonları ile ₂ O ₅ I kullanıyor. Bununla birlikte, örneklerin ilk konsantrasyonları dehidre hidratlanmış türlerin tüm kadar 210 ° C'nin üzerinde numunelerin ısıtılmasıyla kontrol edilebilir. Bu Denklem (2) 'de Selte ve ark., ^1' de gösterilen I ₂ O ₅ hidrasyon ve dehidrasyon mekanizması takip eder.

(2a) Sıvı Alımı: 3I ₂ O ₅ + 3H ₂ O 2HI → ₃ O ₈ + 2H ₂ O → 6HIO ₃

(2b) Dehidrasyon: 6HIO ₃ → 2HI ₃ O ₈ + 2H ₂ O 3i ₂ O ₅ + 3H ₂ O →

Dehidrasyon ilk aşama, 110 ° C'de olduğunda HIO ₃ dehydrHI ₃ O ₈ içine ates. HI ₃ O ₈ I ₂ O ₅ içine kurutur zaman dehidrasyon ikinci aşama 210 ° C'de olur. Piyasada mevcut başlangıç konsantrasyonu I ₂ O _5, çoğunlukla iodic asitten oluşur olduğundan, saf I ₂ O ₅ absorpsiyon özellikleri iyice incelenmemiştir. RH eşik ve emilim oranlarının düşük RH eşiğini ve artan hidrasyon fiyat bilgisi olabilir amorf bir iyot oksit ilk hidrasyon durumu ile birlikte ve bu fiziksel özellikleri (örneğin, parçacık büyüklüğü, kristal yapısı) bağlı olduğu varsayılmaktadır. atmosferik su Ayırma iyot oksitler iyot oksit bileşiklerinin başlangıçtaki durumunu kontrol etmek için gereklidir. Atmosferden I ₂ O ₅ izole bir yöntemi kaplamaları ile su emme engelliyor. Örneğin, küçük ve ark., Absorpsiyon hızı ve hy toplam miktarını azaltmak mümkün olduğuAu / Pd ² püskürtmeli kaplama örnekleri ile drated iyodin oksitlerdir. Feng ve ark., ⁸ çevre atmosferine maruz kalmanın uzun süreler zarfında su emme engelledi bir Fe ₂ O ₃ kaplamalı I ₂ O ₅ partiküllerin yüzeyi pasifize. Benzer bir yaklaşım I ₄ O ₉ istikrara kavuşturmak için uygulanabilir.

Başka bir yol da sentezi için yeni yaklaşımlar olabilir I ₄ O ₉ kararlılığını artırmak için. Malzeme hidratlanmış türlerin giriş engelleyen bir şekilde sentezlenebilir, daha sonra su emme katalize topochemical etkisi oksitleyici stabilize böylece önlenebildi. Ben ₄ O ₉ Burada incelenen hidratlı tür tanıtmak ve ben ₄ O ₉ tozu daha istikrarlı bir form analiz sağlar olmayan bir 'kuru' işlemi kullanılarak sentezlendi. Amacımız temel kinetik associat analiz etmektired I ₄ O ₉ ayrışma ve reaksiyonu Al yanı sıra Al + I ₄ O ₉ reaksiyonun temel enerji yayılım davranışı ile. Reaksiyon kinetiği, diferansiyel tarama kalorimetresi, termal gravimetrik analiz (DSC TGA) de dahil olmak üzere, termal denge tanılama kullanılarak analiz edilir. Enerji yayılımı şeffaf tüp içinde ateşleme üzerine bir toz karışımı ile reaksiyon yayılma yüksek hızlı görüntüleme kullanılarak analiz edilir. Sentez yöntemlerinin geliştirilmesi I ₄ O ₉ iyot oksit diğer biçimlerine kıyasla yavaş olmuştur stabilize I ₄ O ₉ ve yöntemler üretmek. Bu çalışmanın bir amacı, enerji ve gaz I ₄ O ₉ İyot oksitleri içeren reaksiyonlar daha büyük olan ilgili reaksiyonlar serbest olduğunu göstermektir. Bu şekilde, sentez ve ben ₄ O ₉ karakterizasyonu üzerine gelecek araştırma birçok uygulama için yararlı olabilir.

Protokol

Not: Altı farklı oksitleyici İyot oksitler göre I ₄ O ₉ kinetiklerini karakterize amacıyla incelendi. Her bir oksitleyici aşağıda tarif edilmiştir. Al tozu 80 nm ortalama küresel parçacık çapı: Tüm karışımlar için kullanılan yakıt sabit oldu. Karışım hazırlama her oksitleyici görüşüldükten sonra tarif edilir.

İyot (V) Oksitler 1. Hazırlık

NOT: Nano-alüminyum / oksitleyici karışımları çok uçucu ve patlayıcı davranışlar sergileyebilirler. Bu karışımlar elektrostatik boşalma, sürtünme, darbe ve yanlışlıkla ateşleme diğer formları tarafından istenmeyen ateşleme duyarlıdırlar. Tüm ekipman kazara kıvılcım ateşleme olasılığını azaltmak için topraklı olmalıdır. Miktarlar minimize edilmelidir ve bu maddelerle çalışırken koruyucu ekipman kullanılmalıdır. Güvenlik ve kullanım prosedürleri hakkında daha fazla bilgi Maienschein'ın ark bulunabilir. ¹⁸

1. Ptamir ticari I ₂ O ₅
   1. Tutarlı bir toz oluşturulur kadar bir havan ve havan tokmağı ile I ₂ O ₅ kristaller 10 g ezmek.
   2. Kristaller, bir toz biçiminde olduktan sonra, eşit bir şekilde 250 ° C 'ye kadar ısıtma için müsait bir seramik pota içinde bir toz, 10 g yayıldı.
   3. 10 ° C / dakika ile 250 ° C bir fırın ve ısı, tüm pota koyun ve 5 dakika boyunca 250 ° C'de tutun.
2. Amorf I ₂ O ₅ hazırlanması
   1. Manyetik bir karıştırıcı ile bir cam kap içinde ezildi ve kurutulmuş, ticari I ₂ O _5, 3 g yerleştirin ve damıtılmış su, 3 g ekleyin. Ticari I ₂ O ila ₅ 1 su oranı ve 20 dakika boyunca karıştırın tamamen eriyene örnek sağlamak için, 1 ekleyin. Su formları IO ₃ bir sulu faz I _2, O ₅ çözünme. ¹⁷
   2. Bir gaga içine IO ₃ çözüm dökünER bu ısıtma için uygundur. ₂ O ₅ üretilen yeterli amorf I sağlamak amorf I ₂ O ₅ gerekli kütleye göre IO ₃ solüsyonu üç kez kütlesini kullanın. Amorf I ₂ O _5, bir gram gereklidir, örneğin, ES ₃ çözeltisi, 3 g kullanın.
   3. 250 ° C'ye kadar 20 ° C / dk'da bir fırın ve ısıya IO ₃ çözeltisi ile beher yerleştirin ve 10 dakika için tutun.
   4. ortam atmosferik suya maruz kalmasını sınırlamak için, kapalı bir kap içinde örnek saklayın.
3. Preparasyon kristalin HIO ₃
   1. Fazla suyun tamamının dek adımı yineleyin 1.2.1 ve yer IO (% 50 RH altında) düşük nemli ortamda bir manyetik karıştırıcı üzerinde ₃ çözüm buharlaştı. Buharlaştırılmasından sonra, IO ₃ sulu fazı hio ₃ ¹⁷ olarak çökelecektir.
   2. e sınırlamak için, kapalı bir kap içinde örnek Mağazaortam atmosferik su xposure.
   3. buharlaştırılır fazla olan suyun sağlamak için, 10 ° C / dk'da 250 ° C'ye kadar, bir diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ve ısı bir numuneyi.
      NOT: 110 ° C'de kilo kaybı% 5 eşit olacaktır ve örnek saf HIO ₃ ise 210 ° C'de hiçbir kütle kaybı olacaktır. Herhangi bir ek kütle kaybı örnek buharlaşması için daha fazla zamana ihtiyacı anlamına aşırı su vardır. 210 ° C 'de kilo kaybı I ₂ O ₅ tamamen erimemiştir ve çalkalama ile fazla su örneği çözünmesi için gerekli olduğu anlamına gelir.

2. Karışımı Hazırlama

Not: bunların iki farklı şekilde hazırlanır: Bir taşıyıcı sıvı olmadan birbirine karışması ve başka yardımcı yerine kuru karıştırılmış bir taşıyıcı akışkan ile. Bir taşıyıcı sıvı kullanarak işlenmesi için, karışım üç oksitleyiciler hazırlanmıştır: I ₄ O ₉ nano I ₂ O ₅ ve commercial I ₂ O _5.

1. Bir taşıyıcı sıvı karışımların hazırlanması
   1. , Bir taşıyıcı sıvı içinde karıştırılmıştır örnekleri hazırlamak bir çanak içinde 1.0 eşdeğerlik oranı Al ve oksitleyici karışımı iki gram toplam her yakıcı madde ile 80 mil Al tozu karıştırın.
   2. beher içine izopropanol 60 ml ilave edilir ve 10 saniye ve 2 dakika olmak üzere toplam 10 saniye kapalı programlanmış 4 watt çıkış gücü ayarlanmış bir ses çubuğu ile çözelti sonikasyon.
   3. bir cam tabak içine dökün ve çözelti, toz numuneleri bırakacak 24 saat boyunca% 20 nispi nemde, oda sıcaklığında, bir çeker ocak içinde buharlaşmasına izin verin.
      NOT: Adım 2.1.4 geçmeden önce, jilet kazara tutuşmasını önlemek için bir iletken tel ile bir elektrik toprağa bağlı olduğundan emin.
   4. topraklı jilet tozu geri kazanmak ve Limi mühürlenebilir bir kap içine doğrudan topakların kırmak için örnek elekatmosferik su t örnek maruz kalma.
2. Kuru karıştırılmış numune hazırlanması
   1. Elek ve 1.0 oksijen ekivalan oranının yakıta bir numune kabı içine bir spatula ile Al ve oksitleyici karışımı iki gram karıştırın. atmosferik su numune maruz kalma sınırı örnek kabı mühür.
   2. karışmasını yardım etmek 3 dakika titreşim masaya örnekleri tutun. kuru karıştırılmış, bu şekilde hazırlanan örneklere bakın.

3. Termal Denge Analizi

1. Termal denge analizi için numune hazırlanması
   NOT: Bu örnekler, atmosfer su ile kolaylıkla reaksiyona girer. Bağıl nem atmosfere% 30 ve pozlama altına düşürülmesi gerekmektedir sınırlı olmalıdır (yani, DSC-TGA potalar üzerinde kapalı kaplarda ve kullanım kapakları mağaza örneği).
   1. Isı alümina potalar 1,500 ° C (DSC-TGA tanılama ile birlikte) ve 30 dk herhangi kaldırmak için basılı tutunDSC TGA potası üzerine Tortu.
   2. Numuneler pota yerleştirilir önce potalar tartılır. Bu ölçüm DSC-TGA tarafından ihtiyaç duyulmaktadır.
   3. Pota tartılır sonra pota içindeki her numune için 10 mg ekleyin.
   4. DSC termokupl referans tutucu boş bir pota DSC-TGA termokupl örnek pota yerleştirin.
   5. Bir argon atmosferi altında 600 ° C ila 10 ° C / dk'da numuneler ısıtın.

4. Enerji Yayılım

1. Alev boruları hazırlanması
   1. toz karışımı içeren bir iç 3 mm iç çaplı ve 7 cm uzunluğunda kuvars tüp kullanın.
   2. Toz tüp kaçamaz böylece bir ucunda kaset koydu.
   3. bir ölçekte bantlanmış bir ucu her 7 cm tüp yerleştirin ve ölçek sıfır. Bu tozun sadece kütle ölçümü sağlayacaktır.
   4. Küçük bir ucu olan bir spatula kullanarak, th içine toz örnekleri eklemeke tüp. karışımların her biri için, tekrarlanma testleri için, her karışımla dolu üç tüp olun.
   5. Bir çapı 3 mm'den daha küçük, daha düşük kütle yoğunlukları olan numuneler için tüp içinde, kompakt bir toz olan bir kol (örneğin, Al + I ₄ O _9, Al + amorf I ₂ O ₅₎ örneğin hacmi gerçekleşene kadar değişmez. Bu prosedür birden fazla deneyler arasında tutarlı kütle yoğunlukları sağlamak için gereklidir. Bu toz karışımı, 200 mg gerektirebilir.
   6. yüksek yoğunluklara sahip tüm diğer karışımlar için, harici güç kullanarak toz kompakt yok. benzer kütle yoğunlukları ile numuneler arasında sürekli kütle yoğunluğunun tutun. tüplerde toz miktarı tozun kütle yoğunluğuna bağlı olarak değişecektir. Bu toz karışımının 500 mg gerektirebilir.
   7. Her bir tüp için darası alınmış bakiye kullanarak her bir tüp içinde bir toz karışımının kütle ölçümü withi olan bir toz yoğunluğu kadar kütle eklemen, her bir gruptaki diğer örneklerin% 5. Her tüp tamamen dolu olduğundan emin olun.
2. Sıcak tel tutuşur hazırlanması
   1. Sıcak tel hazırlamak için, bir nikel-krom kullanmak (yani, nikrom) 10 cm uzunluğunda bölüme tel kesme.
   2. tel ortasında bir "v" şekli yapın ve "v" şeklinde tüp içinde yani teli yerleştirin.
   3. tel sabittir ve hiçbir toz tüp kaçabilir, böylece tüpün bu ucunu bantlayın.
3. Yüksek hızlı kamera hazırlanması
   1. Alev yayılma yönüne dik yanma odasına dışında yüksek hız kamerası ve yanma odasında bir görüntüleme bağlantı noktası üzerinden tüp kamerayı odaklanır.
      NOT: Yanma odasının temel işlevi reaksiyona malzemeden personel ve ekipman korumak ve davlumbaz vasıtasıyla havalandırılmalıdır olduğunu.
   2. th yerleşimini ve lensi ayarlayınEn düşük çözünürlük (yani, en yüksek kare hızı) kullanılabilir, böylece e kamera.
   3. mesafe kalibrasyonu izin vermek için, görüş alanı mm ve cm aralıklarla bir cetvel yerleştirin ve alev hızları kaydetmeden önce yüksek hızlı kamera ile bir fotoğrafını çeker.
   4. alev ön ortam ışığına göre önemli ölçüde daha parlak ve gibi kamera reaksiyonu tarafından üretilen ışığa maruz kaldığında, aşırı doyurulması kamera ayarlarından pozlama süresini düşürmek veya miktarını azaltmak için kamera lens nötral yoğunluk filtreleri katacak ışık kamera sensörleri tarafından verildi. reaksiyonun yayılmasının ön açıkça görülmektedir kadar kamera tarafından alınan ışığın miktarı aşağı indirin. Burada, ışığın sadece% 5'i geçmesine izin nötral yoğunluk filtreleri kurmak ve 1 mikro saniye olduğu bir pozlama süresi.
   5. tel uçları için bir gerilim jeneratörü takın. Yanma odası odası mühürlü olmasını sağlayacaktır haznesinden açar yalıtımlı olmalı veTelin uzaktan ısıtma sağlar.
   6. hücre kapatıldıktan sonra, 10 volt gerilim jeneratör ayarlamak ve eş zamanlı olarak kamera kayda başlamak. voltaj uygulandığında, reaksiyon hemen başlamalıdır.
   7. her karede zamanın bir fonksiyonu olarak alev ön pozisyonunu takip edecek bir yazılım programı içine video aktarın.
   8. Bir tablolama içine mesafe ve zaman adımı bilgileri vermek ve ^R2 değerleri ile doğrusal bir eğilim çizgi çizmek. yavaş reaksiyonları için, zaman kararlı bir duruma ulaşmak için bir reaksiyon için ihtiyaç vardır. Kararlı durumda önce eğri katlanarak artan eğri olacaktır. ^R2 değeri 0.95 büyüktür kadar kararlı durumda olmayan verileri kaldırın. çizginin eğimi alev hızıdır.

Sonuçlar

Şekil 1a DSC analizi ile incelenen altı oksitleyiciler için ilk devletlerin endotermik ve ekzotermik davranışı gösterir ve Şekil 1b TGA analizi karşılık gelen kütle kaybı gösterir. Ben ₂ O ₅ (350 ° C) ayrışma sıcaklığı ötesinde ısıtılan tüm oksidanlar altındaki sıcaklıklarda ben ₂ gaz yerine sulandırılmış türlerin dehidrasyon tarafından serbest suyun% 100 kütlesini ama ben ₄ O ₉ örnek bültenleri kaybetmek olduğunu kaydetti I ₂ O ₅ ayrışma sıcaklığı. I salınan I ₂ gaz bolluğu ₄ O ₉ numuneler üzerinde 7 ağırlık olarak Şekil 1b belirtilir.%. Şekil 1a ekzotermik davranışları üreten tek iyot bileşikleri olduğunu gösteriyor I ₄ O ₉ ve ₂ O ₅ tarafından oluşturulan I ₄ O ₉ ayrışma veeksoterm da I ₂ O _5. Şekil 1b ayrışımı için yaklaşık 180 ° C'lik bir başlangıç sıcaklığı karşılık gelen en büyük genel iyot gazı üretimi iyot I bileşimin ₄ O ₉ olduğunu göstermektedir.

Ticari ve amorf I 110 ° C ve 210 ° C arasında ₂ O ₅ numune için endotermler vardır. Bu bu örnekler hiçbir iodic asitlerle sadece ben ₂ O ₅ olduğunu göstermektedir. Nano I ₂ O ₅ ve ₄ O ₉ 150 ° C'de başlangıç sıcaklığında egzotermleri sahiptir. Bu, bu numuneler ₄ O ₉ ⁶ I içeren gösterir. Nano I ₂ O ₅ termal ₄ O ₉ I tedavi edilir. 150 ° C'de küçük ekzoterm bazı nano I ₄ O ₉ kalıntı Ben ₂ O ₅ örnek olduğunu göstermektedir. Şekil 1b TGA verilerini kullanarak, Numunede bulunan artık I ₄ O ₉ az% 15 wt. Olduğunu. HIO ₃ dihidrat, 130 ° C 'de başlamak üzere tek bir endoterm sahiptir ve bu örnek kristalli HIO ₃ olduğunu gösterir. Ticari HIO ₃ örnek, 160 ° C ve 210 ° C 'de başlayan iki ayrı endotermler sahiptir. 160 ° C'lik bir başlangıç sıcaklığına sahip bir endoterm CRC Handbook ¹⁶ HIO ₃ dehidrasyon aralığın dışındadır. Bununla birlikte, TGA sonuçlar, hidratlanmış bir türün dehidrasyonudur gösteren bu aralıkta 2.47 ağ.% Bir kütle kaybı göstermektedir.

Şekil 2a, dört Al DSC analizi iyot oksit karışımlarının ısı akış davranışını gösterir. Al + I ₄ O ₉ kuru karışım oksitleyici gösteren 180 ° C'de bir eksoterm artan başlangıç sıcaklığında yine de ₄ O ₉ yer alır. Al + I ₄ O ₉ ve Al + nano I2 O ₅ numune hemen hemen aynıdır. Bu karışımların her ikisi de birbiri ile karışmasını ve izopropanol içinde karıştırılması tozlar I ₂ O ₅ içine ₄ O _9. dönüştürülmüş gösteren, Şekil 2a'da görülen aynı termik davranışı yardımcı olmak için bir taşıyıcı sıvı olarak izopropanol kullanılarak işlenmiştir.

Şekil 2b, bir ₄ O ₉ 4 saat boyunca% 20 RH'de maruz I ₄ O ₉ gösterir, ve nano I ₂ O _5, 4 saat boyunca% 20 RH'de maruz bırakılmıştır. % 20 RH 4 saat maruz kaldıktan sonra, ben ₄ O ₉ I ₂ O ₅ nano aynıdır ve kısmen HIO ₃ ve HI ₃ O ₈ oluşmaktadır 110 ° C ve örnekleri gösteren 210 ° C'de endotermler vardır. Bu I ile açıklanabilir ₄ Ey sonra ısıtılır ve ₂ O _5. c dönüşmüş olan ₉ "kuru" sentez yöntemiI ₄ O ₉ rystal yapısı bilinmemektedir, fakat hidratasyon (gölgeli endotermik olan iki alt eğri 2b şekil) toz (örneğin, yumuşak, yüksek gözenekli yapısı,), düşük yoğunluklu ve rapor kristal eksikliği görülmektedir bir yapıyı, amorf bir yapı düşünülmektedir. Nano I ₂ O ₅ eşitliğine göre, ₄ O _9, amorf I termal ayrışma ile oluşturulmaktadır. (1) ₂ I ₂ O ₅ amorf bırakarak amorf I _{4 O, 9} bu tür serbest kalır. iyot (V) oksit kristal yapı oluşumu su ile katalize edilmektedir. sentez yöntemi kuru olduğundan, kristal oluşumunu katalize etmek için su yok. Suyun emilmesi için gerekli olan ilk adım, moleküller arasındaki bağların bozmaya görece neminin yükseltmektir. Bu kristal yapısının (yani zayıf bağlı su tahliye istiyor) olmadan dinamik denge I yani ₂ O ₅ kaydırılır Herhangi bir kullanılabilir su emecektir. En kısa sürede su I ₂ O _{5, 3} molekülleri başlar HIO oluşumu tarafından emilir. HIO ₃ Amorf I ₂ O ₅ oksijeni çeker ve HI ₃ O ₈ kristal yapısını oluşturan bir hidrojen yer alır. Su hala kristal yapı oluşumu katalizördür. Bunun yerine bir kristalin yapısının bir amorf yapı oluşturmak Sentezi ₂ O ₅ gibi bir yöntem ve ₄ O ₉ su emme düşük bağıl nemde görülmektedir nedenidir (yani,% 20) daha önceki çalışmalarda absorpsiyon (başlatmak için gerekli olandan yani% 70-80 RH) ^5,17. Özet olarak, iyot, bileşiklerin amorf yapı hidratlanmış türleri ve iyodik asit oluşumu emilimini teşvik edebilir.

500 ° C civarında ana ısı salınımından 2a Şekil tüm benzer. Al + I ₄ O ₉Kuru karışım, yaklaşık 180 ° C'de ekzoterm I ₂ O ₅ ila I _4. O ₉ faz geçişi gösterir. Ayrıca, tüm karışımları ön ateşleme reaksiyonu (PIR) 300 ile var - ₂ O ₅ daha düşük başlangıç sıcaklığı ve daha yüksek büyüklükte olan bir PIR sahip 400 ° C, ancak El + I ₄ O _9, Al + nano değil, aynı zamanda özel endotermler gösterir 210 ° C 'de ısı salınımından eklenmiştir. Bu örnekler, izopropanol içinde işlenmiş ve 210 ° C 'de davranış, bu numuneler ₃ O ₈ kısmen HI olduğunu gösterir. Eksoterm O ₈ ve ₄ O ₉ neredeyse aynı sıcaklık dissociating, O ₈ HI ₃ çünkü HI ₃ arasındaki reaksiyon olabilir ben ₄ O ₉ ayrışma olarak. Bu reaksiyonlar PIR daha fazla ekzotermisitesini teşvik etmek ve PIR önceki başlangıcını katalize yardımcı olabilir. Osborne ve Pantoya ²⁰ ilk ana ekzotermik tepki önceki ekzotermik tepki gösterdiAl yanma iyon ve bu PIR icat. Onların analizi PIR reaksiyonu floropolimer ^19,20 çürüyen gelen flor içeren bir alüminyum çekirdek parçacık çevreleyen alüminyum gövde arasındaki olduğunu belirtti. Farley ve ark. Iyot bazlı oksitleyiciler ile reaksiyona alüminyum alüminyum çekirdek-kabuk parçacıklarına PIR ⁴ sonra genişletilmiş gözlemler. Al + ticari I ₂ O ₅ Örnek HI ₃ O ₈ varlığı ve geç başlangıç sıcaklığında hafif bir PIR eksoterm gösteren 210 ° C'de bir endoterm sahiptir. Mulamba ve ark., ^21, aynı zamanda PIR başlangıç sıcaklığı, konsantrasyona bağımlı olduğunu gösterdi.

Al için alev hızı sonuçlarını ölçülen Tablo 1 kuru karışım olarak belirtilen oksitleyici ile karıştırılır ve aynı zamanda işleme taşıyıcı sıvı olarak izopropanol kullanılarak karışık. Sadece, ilk üç numune izopropanol ve Al + co karıştırıldıktan sonra test edilmiştirmmercial HIO ₃ kuru karışım ya ateş almadı ya da yeterince uzun ölçülebilir sonuçlar elde etmek için tepkiyi sürdürmek vermedi. Yüzde belirsizlik her karışım için en fazla üç ayrı deney tekrarlanabilirlik göre belirlenir. Kütle yoğunluğu kanşımı toz kütlesinin ve borunun hacminin bir fonksiyonu olarak belirlenir.

Alev hızı ölçümleri ile reaktivite yorumlarken, bu tür karışımın homojenliği, partikül boyutu ve hacim yoğunluğuna gibi sonuçları etkileyen birçok faktör vardır. Karışım homojen reaktantların karışmasını yardımcı olmak için bir taşıyıcı sıvı ile optimize edilebilir. Bu çalışmada incelenen I ₄ O ₉ önceden ben ₄ O ₉ örnekleri incelemiş ve Wikjord ark görülen I ₂ O ₅ ya da formu hidrate türlere içine ayrıştırmak görünmedi daha kararlı. Sadece Şekil 1a da görüldüğü gibi ⁶ ( karşılık gelen bir ekzotermBen ₄ O ₉ ayrışma). Ancak, tek yol + I ₄ O ₉ I ₄ O ₉ bütünlüğünü korumak için mümkün olduğunca atmosfere kadar az maruz kalma ile kuru karıştırma tarafından Al yanma performansını gözlemlemek için. Ayrıca, farklı eyaletlerde oksidan malzemeler ile birlikte Al alev hızı ölçümleri alev hızı sonuçlarında varyans neden olan etkileri daraltmak ve belirli iyot bileşiklerine özellikle atfedilen farklılıkları ortaya çıkarmak için bize izin verdi. Bu karşılaştırmalar, aşağıda tartışılacaktır. Genel Tablo 1 diğer iyot bileşikleri ile karşılaştırıldığında ben ₄ O ₉ ölçüde reaktivite iyileştirdiğini göstermektedir.

Bir taşıyıcı sıvı içindeki karıştırma kanşım homojenlik ve reaktivitesini arttırır yakıt ve oksitleyici parçacıklarının geliştirilmiş dağılımını sağlar. Bu kuru Tablo 1 'de alev hızlarındaki farkın görülür veizopropanol karışık Al + nano I ₂ O ₅ ve alev sırasıyla 1.07 ve 3.34 kat artmıştır hızlarını Al + ticari I ₂ O ₅ örnekleri. Ölçülen alev hızı örtülü karışım homojenlik sadece biraz ben ₂ O ₅ sergiler ticari Al + mikron ölçeğinde ise üç kez alev hızı zaman taşıyıcı sıvı yardımcıları karışmasını artırmak, Al + nano I ₂ O ₅ karışım artırıldı. Açıkça parçacık boyutu ve taşıyıcı akışkan ölçülen alev hızına katkıda bulunur. homojenlik etkileri de alev hızları arasında belirsizlik tarafından görülebilir. izopropanol ve daha küçük parçacıkları ile numunelerde karıştırılır örnekler ölçülen alev hızları daha az belirsizlik var. Bu küçük bir belirsizlik de amorf yapı kuru karıştırma geliştirilmiş homojenliğini kolaylaştırır düşündürmektedir amorf örnekleri, her görülür. Bundan başka, kuru karıştırma kırmak için önce her bir numune elenmiştir belirtilmektediraglomera ve kötü homojenlik kaynaklanan belirsizliği ortadan kaldırmaya yardımcı.

HIO ₃ molekülleri elektronegatif ve bireysel hio ₃ molekülleri ²² uçları arasında bir çekim neden elektropozitif bir hidrojen uç kapağı, ve bir oksijen uç kapağı vardır. Al karıştırılabilir önce bu çekim nedeniyle, HIO ₃ parçacıkların eleme sırasında anında bağlar. Bu son derece kötü homojenlik neden ve reaksiyonu devam ettiremedi nedeni Al + ticari HIO ₃ örnektir. Al + HIO ₃ dihidrat örnek azaltılmış kristal yapısı oluşumunu (Şekil 1a), katalize mevcut su vardı, ama bu etkiyi ortadan kaldırmamıştır.

Enerji yayılım reaktan karışımının kütle yoğunluğuna bağlıdır. yoğunluğu, reaktanların konsantrasyonuna göre değişecektirBu karışımın kütle yoğunluğu, genellikle teorik maksimum yoğunluğu (TMD) yüzdesi olarak rapor edilmektedir. % TMD konsantrasyon ağırlıklı ortalama ve işgal kütlesi ve hacmine göre gerçek numunenin yoğunluk reaktanların ve hesapların yoğunlukları kullanılarak hesaplanır. Bu şekilde,% TMD bakımından kütle yoğunluğu hacim işgal Katı alan miktarını ifade eder (yani,% 60 TMD% 40 hava boşlukları ve% 60 katı madde eşdeğerdir). Düşük% TMD genellikle yüksek% TMD tozlar daha yüksek alev hızları ile sonuçlanır. Alt% TMB hava boşlukları daha yüksek konsantrasyon alev hızları geliştirmek için konvektif yollar sunar. Her bir Discretely farklı yığın yoğunluğunda elde edilmiştir, bu nedenle, Tablo 1'de rapor alev hızı, karışımın bir fonksiyonu olarak karşılaştırılabilir değildir.

(1) ₄ O _9: İki sonuç Tablo 1 çizilebilirBu I _2'ye O ₅ değiştirir ve böylece reaktivitesini değiştirir, çünkü izopropanol içinde işlenemez; ve (2) ₄ O ₉ daha yüksek ve daha düşük kütle yoğunlukları (örneğin, 8 ya da% 17 TMB ile karşılaştırıldığında% 11 TMD), I ₄ O ₉ artan etkinliği gösteren, çünkü ₂ O ₅ den daha reaktiftir. Bu bulgu, stabilitesini geliştirmek için pasifleştirilmiş olabilir eğer ₄ O ₉ reaktif uygulamalar için avantajlı olacağını göstermektedir.

Reaktivite ve termal analizi sayesinde, sonuçlar, ₄ O ₉ iyot diğer formları daha fazla reaktif olabilir gösterir (V), alüminyum (Al) bir toz ile bir araya getirildiğinde oksitler. Burada kullanılan I ₄ O ₉ Örnek hidratlanmış türlerin sentez sırasında herhangi bir noktada dahil olmayan şekilde element oksijen ve iyot birleştiren bir "kuru" yöntem kullanılarak sentezlendi. Bu nedenle, ben ₄ Ey İçin _{9 Örnek iyodik asit ilk yoksundur ve 2 O 5 içine ayrışma karşılık gelen düşük bir sıcaklıkta (örneğin, 180 ° C) büyük bir eksoterm üretir. 4 O 9. ısıyla bozunması vasıtasıyla oluşturulan nano ölçekli I 2 O 5 parçacıklar amorf muhtemeldir Al tozu (Tablo 1) ile birleştirildiğinde 1,000 m / san üzerinde alev hızı oluşturur. Al + I 4 O 9 reaksiyon 1,500 m / sn üzerinde alev hızları üretir. Bu, özellikle yüksek iyot gazı üretimi motive enerji üretim teknolojileri için I 2 O 5 alternatif olarak ben 4 O 9 potansiyelini keşfetmek için ilk çalışmadır.}

Figürün 1. Kitle Kaybı Isı Akış / TGA Analizi DSC Analizi a.) OAltı yükseltgenlerden DSC analizi akış davranış ve iodic asit dehidratasyon. b aralığında kullanılan farklı iyot (V) durumlarını oksitler) TG analizi karşılık gelen kütle kaybı gösterir.

Isı akışının Şekil 2. DSC Analizi. Ben ₂ O ₅ karma ticari Al + I ₄ O ₉ kuru karışımı için DSC analizi ve Al + I ₄ O _9, Al + nano I ₂ O ₅ ve Al + a) Isı akış davranışı izopropanol. Sıcaklık aralığı ₄ O ₉ 4 saat boyunca% 20 RH maruz başlangıçta ₄ O ₉ ve iodic asit dehidratasyon ve ana reaksiyon sıcaklık aralığı. B) içerir. Ayrıca, ben ₂ O ₅ 4 saat boyunca% 20 RH maruz kalmıştır.

yükseltgen	Izopropanol Karışık Alev Hızı (m / sn)	% Belirsizlik	Kuru Mix Alev Hız	% Belirsizlik	Kütle Yoğunluğu kuru karışımı (g / cm3)	Kuru Karışım% TMD
Ben 4 O 9	1261 *	0.4	1551	3	0.48	11.7
Nano I 2 O 5	1.146	4,5	1070	3.7	0.33	8
Ticari I 2 O 5	719	5.5	215	46.5	0.93	22.6
Amorf I 2 O 5	NM	NM	1085	0.3	0.73	17.8
HIO 3 Dehydrate	NM	NM	393	12	0.8	19.3
Ticari HIO 3	NM	NM	NM	NM	1.11	27.1

Al + oksitleyici Tablo 1. Alev Hız Testi Sonuçları. Alev hızı sonuçları ilk sütunda belirtti. NM ölçülebilir olmadığını gösterir. * Ben ₄ O ₉ karıştırma sırasında I ₂ O ₅ ayrılmıştır edildi gösterir.

Tartışmalar

Burada incelenen I ₄ O ₉ tozu elemental iyot ve oksijen birleştirerek I ₄ O ₉ oluşturulması için bir "kuru" yaklaşımı kullanılarak sentezlendi. Bu örnek, ben ₄ O ₉ olarak adlandırılır. Nano-parçacık I ₂ O ₅ de bu çalışma için sentezlendi. Özellikle, ₄ O ₉ bir kısmı I ₄ O ₉ (yani, 180 ° C) ayrışma sıcaklığı son ama ₂ O ₅ (400 ° C) ayrışma sıcaklığı altında ısıtıldı. Bu işlem, 200-400 nm arasında bir çapa sahip parçacıklar elde edilir. Bu örnek, nano I ₂ O ₅ olarak adlandırılır. Tanecik boyutu ölçümleri, vakum içinde olduğu örnek gerektiren TEM ile elde edilmiştir. I ₄ O ₉ boyutları doğrudan elde değildi bu yüzden Ancak, ₄ O _9, bir vakum I ₂ O ₅ ayrışır. Nano I ₂ O 5 parçacık çapları 200-400 nm ve ₄ O ₉ Örnek ısıtılması sentezlenebilir arasında, bir I ₄ O ₉ içindeki çaplara sahip olduğu kabul edilir.

I ₂ O ₅ sentezlenmesi için daha genel bir yaklaşım bir ₂ O ₅ ^1,2,8 oluşturulması için iyonik asidin termal dehidrasyon ile ve malzeme bu işlem kullanılarak ticari olarak temin edilebilir hale. Ticari Ben ₂ O ₅ iri kristaller halinde alınır ve depolama ve taşıma koşullarına bağlı olarak iodic asitlerin farklı konsantrasyonlarda olabilir. Numuneler I ₂ O ₅ saf olmasını sağlamak için, numuneler olarak adım 2.1.1.3 açıklandığı kullanılmadan önce susuz bulunmaktadır. Bu örneğin parçacık çapı 1-5μm arasındadır. Bu örnek, ticari I ₂ O ₅ adlandırılır.

Amorf I ₂ O ₅ örnek bu doymuş IO ₃ çözeltisi yapılır . I ₂ O _5, su ile karıştırıldığında, IO ₃ bir çözeltisi oluşturulur. Bu aşamada 2.1.2 yapılır ve bu adımlar doymuş IO ₃ çözüm bırakacaktır. Su iyodik asit kristallerin oluşturulmasını kataliz eder. Amorf I ₂ O ₅ oluşturmak için, sıcaklık, kristal yapı oluşturmak için izin vermez bir oranda HI ₃ O ₈ ve ısıtıldı dehidrasyon sıcaklığı üzerinde olmalıdır, bu adımda 1.2 yapılır. Çözeltide IO ₃ konsantrasyonu dehidrasyon sırasında oluşturulan amorf I ₂ O ₅ miktarını belirleyecektir. Örnek gösteren dehidrasyon I ₂ O ₅ amorf bir şeklidir sonra bu numuneler kırmızı dönmelidir. Bu örnek, amorf I ₂ O ₅ adlandırılır. Ayrıca, XRD analizleri (dahil değildir) önceden ve I ₄ O ₉ ve amorf I ₂ O ₅ numunelerinin amorf yapıyı teyit edilmiştir.

çözelti içinde, HIO ₃ aşırı su bırakın ve bir kristal yapısı oluşturmak ne zaman ent ">. aşırı su buharlaşması için gereken zaman IO ₃ çözümün beher, RH, ve konsantrasyon büyüklüğüne bağlıdır. Bizim laboratuvarda en yukarıda ele alındığı şekilde,% 20 bağıl nemde, karıştırma, 3-5 gün numune fazla suyu buharlaştırmak için gerekli idi. çözelti, bir katı açık bir kristal haline dönüşür. Bu işlem, adım 2.1.3 gösterilen ve örnek hio olarak adlandırılır ₃ dihidrat. İyotlu asit olarak ticari HIO ₃ anılacaktır.

çözelti veya atmosfer suya maruz kaldığında, iyot (V) oksit, son ürünün bileşimi değiştirmek kimyasal reaksiyonlar için uğrar. Bu dönüşümü azaltmak için, her altı oksitler de çözüm olmadan Al ile karıştırılır.

DSC TGA ile Termal analiz bilinen başlangıç ​​sıcaklıkları ve kütle kaybı olan örnekler kullanılarak bir argon atmosferinde kalibre edilmiştir. Alevle tüpBir Bockmon tüp ²³ olarak bilinen pparatus alev hızları ölçmek için kullanılır. Alev hızı deneyleri karışımının kütle yoğunluğu duyarlıdır. Pantoya ve diğ., Al reaksiyon mekanizması bastırmak kütle yoğunluğuna artan nano-Al esaslı termitler için böylece alev hızı ²⁴ geciktiren konvektif enerji nakil rolünü azalttığını göstermiştir. Bu nedenle, farklı karışımlar için yapılan deneyler, genellikle sabit bir kütle yoğunluğuna tutmak için tasarlanmıştır. Ancak, burada incelenen oksitleyiciler fiziksel ve kimyasal özellikleri tüm altı kuru karışımları ile tutarlı kütle yoğunluğunun elde etmek mümkün değildi dramatik böyle değişir. Bu nedenle, farklı fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip birden fazla iyot oksitler% TMD farklılıkları, kristal yapısı ve hidrasyon durumlarını içeren karşılaştırma bir dayanak oluşturduğuna test edilir. Toz tüpler içine yerleştirilir ve ölçülen sonra, sıcak tel uzaktan karışımı tutuşturmak için kullanılır.

alev boruları toz karışımı ile hazırlandıktan sonra, alev hızı, yüksek hızlı bir kamera kullanılarak bir yanma odası olarak ölçülür. Kameranın kare hızı çözünürlüğü düşürerek artırılabilir. daha yavaş bir kare hızında yüksek çözünürlükte daha az hata üretecektir kare hızı artırmak için çözünürlüğünü azaltmayı. Bu, tüm alev tüp kullanıldığında hareketsiz görüntü, bu kamera bilgileri kaybetmeden kaydedebilirsiniz saniyede maksimum kare artacak en düşük çözünürlük, adım 4.2.2, nedeni budur. Odamız için, 256 x 86 çözünürlük 300.000 fps'de kayıt makinesini izin hangi kullanıldı.

Yüksek reaktif karışımlar alev hızı miktarının için reaktivite etkileyebilir değişken sayıda doğal zordur (yani, karışım homojen, parçacık boyutu, yoğunluğu, yayılma yönü, yayılma hızı, vb.) bir iç Diamete bir kuvars tüp kullanılarakR nötral yoğunluk filtreleri ile yüksek hızlı bir kamera ile kombinasyon halinde en az 4 mm, yayılma yönü (yani, 1-B) tarafından kontrol edilir ve kamera tarafından alınan ışık miktarı böyle bir minimum eşiğin indirgenebilir reaksiyon tarafından yayılan ışığın ön kenarı görülmektedir ve net bir şekilde ölçülebilir. Bu ölçüm bu düşük ışık seviyesi ilerlemesi reaksiyon önünde aynı oranda olduğunu varsayar. emisyon yüksek ışık yoğunluğu seyahat ve hızlı reaksiyonu daha sensörleri doyurmak için ışık neden olabilir, bu nedenle, fotodiyotlar reaksiyon yayılımı izleme gibi doğru olmayabilir. Ayrıca, tüp uzunluğunun ilk 1-2 cm'lik bir giriş bölgesi olarak kabul ya da kararsız ya da hızlanan yayılma bölgesi olduğunu. zamanın bir fonksiyonu olarak mesafe lineer ölçümleri sabit durum alev hızı belirlemek için bu giriş bölgesi dışına alınmalıdır.

DSC / TGA sho bir termal denge analiziws son derece reaktif malzeme gözlenen olamaz detaylı reaksiyon kinetiği (yani olmayan termal denge koşullarında gözlenen olamaz). DSC / TGA analizi ve alev hızları kombinasyonu alev hızı sonuçları farklılıkların etkileri olabilir reaksiyon kinetiği farklılıklar hakkında özel bilgiler verir. Bu nedenle, bu iki ölçüm yöntemlerinin kombinasyonu anlaşılması ve yüksek ölçüde reaktif maddeleri kontrol etmek için güçlü bir araçtır.

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
Iodine pentoxide (Commercial I2O5)	Sigma Aldrich	229709	Commercial I2O5
Iodic Acid (Commercial HIO3)	Alfa Aesar	A11925	Comercial HIO3
Tetraiodine nonoxide (I4O9)	Lynntech Inc		synthesized using a dry process
Water			Local distilled water run through micron filter
80 nm Aluminum	NovaCentrix	AL-80-P	Nano Aluminum
Differential Scanning Calorimeter with Thermal Gravimetric Analyzer (DSC-TGA)	Netzsch	STA-449	Equilibrium analysis of heat flow and mass loss
Sonic Wand	Misonix	Sonicator 3000	Provides ultrasonic waves to aid intermixing of reactant powders
Phantom High Speed Camera	Vision Research	Phantom 2512	High speed camera for visualzing flame front
Mass Balance	Ohaus	Ohaus Explorer	Weigh powders with a 0.1 mg resolution up to a 110 g capacity