Xác định hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) bằng phương pháp đo nhiệt lượng quét vi sai

Giới thiệu

Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) được biết đến là những chất gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường. Vì những tác động tiêu cực tới môi trường, rất nhiều quy định đã được đặt ra nhằm kiểm soát và giảm thiểu lượng VOC sử dụng và phát thải ra môi trường. Ví dụ, ở California, đã có quy định về việc xác định về tổng lượng bay hơi của thuốc trừ sâu bằng phân tích nhiệt khối lượng (TGA), dựa trên phép thử độ hao hụt khi làm khô. Đồng thời, nhiều quốc gia châu Âu đã đồng thuận giảm thiểu và giữ ổn định lượng VOC phát thải xuống còn 70% so với năm 1991. Và Chính phủ Thụy Sĩ đã áp thuế lên lượng VOC. Những quy định này đặt ra yêu cầu về công cụ định tính cũng như định lượng rằng có VOC hay không và nếu có thì có bao nhiêu. Những nguồn chính của VOC từ công nghệ sơn và công nghệ phủ, các hóa chất dùng trong nông nghiệp và công nghiệp hóa chất tẩy rửa.

VOCs được định nghĩa là những chất hữu cơ có áp suất hơi lớn hơn 10 Pa ở 20°C hoặc dễ bay hơi tại các nhiệt độ khác tring quá trình công nghiệp.

Phương pháp đo nhiệt lượng quét vi sai (Differential Scanning Calorimetry – DSC) là công cụ hữu dụng để kiểm soát những chất nghi là VOC cũng như xác định chính xác áp suất hơi của những chất này. Những phép đo này được dựa trên việc xác định nhiệt độ sôi (hoặc thăng hoa); với nhiệt độ sôi, sẽ được xác định dưới áp suất khí quyển, còn với nhiệt độ thăng hoa sẽ thực hiện dưới áp suất đã được giảm bớt.

Nielson và các cộng sự đã quan sát thấy:

• Tất cả dung môi hữu cơ có nhiệt độ sôi thấp hơn 170°C được xếp vào nhóm VOC.
• Các dung môi hữu cơ với nhiệt độ sôi lớn hơn 260°C không phải là VOC.

Quan sát của Nielson có thể được sử dụng nhằm phân loại các chất và chỉ cần phân tích những chất có nhiệt độ sôi ở giữa 170 và 260°C. Áp suất hơi có thể xác định bằng phương pháp tiêu chuẩn (ASTM E1782) và buồng DSC được thực hiện trong điều kiện chân không.

Để xác định nhiệt độ sôi cần những điều kiện đặc biệt. Việc xác định chính xác điểm chuyển pha cần cân bằng giữa hai pha. Điều này dễ dàng đạt được khi chuyển từ pha rắn sang pha lỏng với quá trình nóng chảy. Sẽ phức tạp hơn khi chuyển từ pha lỏng sang pha hơi do sự thất thoát của pha hơi khiến nhiệt độ chuyển pha thấp hơn nhiệt độ cân bằng lỏng-hơi.

Để vượt qua thách thức này, phép xác định nhiệt độ sôi sẽ được thực hiện trong hệ kín. Áp suất được giữ không đổi thông qua một lỗ nhỏ. Kích thước lỗ rất quan trọng, nếu lỗ to quá thì các chất sẽ bị bay hơi hoàn toàn trước nhiệt độ sôi, nếu lỗ nhỏ quá sẽ gây tăng áp suất, làm tăng nhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ sôi khi cân bằng. Kích thước lỗ tối ưu được chọn là có đường kính 75µm.

Thí nghiệm

10µL mẫu được đưa vào pan được khoan sẵn lỗ 75µm ở nắp. Mẫu được gia nhiệt 10°C/phút qua vùng sôi. Nhiệt độ sôi sẽ được ngoại suy (hình 1). Độ đúng của phép đo nhiệt độ sôi là ±4°C. Phép xác định nhiệt độ sôi dưới áp suất khí quyển  có thể được so sánh với nghiên cứu của Nielson.

Quy trình tương tự được thực hiện dưới chân không (sử dụng buồng PDSC) để xác định nhiệt độ sôi theo áp suất. Hình 2 cho thấy nhiệt độ sôi và logarit tự nhiên của áp suất có quan hệ gần tuyến tính, phù hợp với phương trình Antoine và Clausius-Clapyron. Đường hồi quy có thể để ước lượng áp suất áp suất hơi tại 20°C (hay 293.15K). Nếu nó lớn hơn 10Pa, hợp chất đó là VOC.

Quý anh chị có nhu cầu tìm hiểu về các thiết bị phân tích nhiệt của TA, xin liên hệ với team Navi Technologies.
Tel: 024.7309.2022 – 028.7309.2022
Website: navist.vn