El IsoSORP SA es un instrumento gravimétrico que cuenta con una balanza de suspensión magnética patentada* que permite realizar mediciones de adsorción en entornos de alta presión o de vacío.
Las muestras se pueden medir en presencia de una variedad de gases o vapores en un amplio rango de temperatura que abarca de -196 °C a 400 °C. Una selección flexible de dispositivos de dosificación y mezcla proporcionan un control preciso de la composición y de la presión de la atmósfera de reacción. Diseñado y construido con más de 20 años de experiencia y probado en el campo por cientos de clientes, IsoSORP SA de la serie Rubotherm ofrece el más amplio rango de presión de todos los analizadores de adsorción gravimétricos y representa el estándar de la industria para análisis relevantes para aplicaciones.
* Patente alemana n.° 10 2009 009 204.8
Características y ventajas:
- El pesaje de muestras sin contacto permite la separación hermética entre la celda de muestra y la balanza, lo que elimina el riesgo de daño de balanza de los gases con reacción, la presión o la temperatura dentro de la celda de muestra
- La celda del reactor de muestras sellada metálicamente permite realizar mediciones en gases con reacción tóxica, explosiva o corrosiva, desde temperaturas criogénicas hasta temperaturas altas, y desde vacío a alta presión.
- El exclusivo desacoplamiento automático de muestra permite la tara de balanza durante experimentos y proporciona estabilidad de referencia inigualable a largo plazo, para lograr las mediciones más precisas sin las calibraciones de balanza manual que requieren los dispositivos de la competencia
- Se puede calentar la celda de muestras completa humedecida mediante gases de reacción, evitando la condensación de vapores de gas de reacción, como vapor de agua, CO2, amoníaco, etc., incluso a altas presiones o humedad
- La medición gravimétrica de la densidad del gas de reacción en la celda de muestra permite la corrección automática y precisa de la flotabilidad de los datos gravimétricos en todas las condiciones de presión y temperatura, además de las composiciones de gas de reacción
- El gran rango de pesaje dinámico y el volumen de la muestra permiten realizar mediciones con muestras representativas, grandes y/o pesadas
| Balanza de suspensión magnética (MSB) | Presión[1] | Temperatura | Tipo de sistema de dosificación | |||
| Modelo de IsoSORP SA | Resolución (μg) | Rango de masa (g) | Presión máxima (bar) | Min (°C) | Max (°C) | |
| 400-150, S-G | 10 | 25 | 150 | RT | 400°C | Gas estático (S-G) |
| 400-150, S-G XR | 1 | 10 | 150 | RT | 400°C | |
| 400-150, S-G Cryo | 10 | 25 | 150 | 196°C[2] | 400°C | |
| 400-150, S-G LT | 10 | 25 | 150 | -20 | 400°C | |
| 400-150, S-G XR LT | 1 | 10 | 150 | -20 | 400°C | |
| 400-50, S-G+V | 10 | 25 | 50 | RT | 400°C | Vapor y gas estáticos (S-G+V) |
| 400-50, S-G+V XR | 1 | 10 | 50 | RT | 400°C | |
| 400-150, S-SC | 10 | 25 | 150 | RT | 400°C | Gas y fluidos subcríticos
estáticos |
| 400-150, S-SC LT | 10 | 25 | 150 | -20 | 400°C | |
| 150-150, S-SC Visi | 10 | 25 | 150 | RT | 150°C[4] | |
| 150-350, S-SC | 10 | 25 | 350 | RT | 150°C[3] | |
| 150-350, S-SC LT | 10 | 25 | 350 | -20 | 150°C[3] | |
| 150-350, S-SC Visi | 10 | 25 | 350 | RT | 150°C[4] | |
| 150-700, S-SC | 10 | 25 | 700 | RT | 150°C[4] | |
| 400-50, F-G | 10 | 25 | 50 | RT | 400°C | Gas en movimiento (F-G) |
| 400-50, F-G XR | 1 | 10 | 50 | RT | 400°C | |
| 400-150, F-G | 10 | 25 | 150 | RT | 400°C | |
| 400-150, F-G XR | 1 | 10 | 150 | RT | 400°C | |
| 400-50, F-G+V | 10 | 25 | 50 | RT | 400°C | Gas y vapor en movimiento (F-G+V) |
| 400-50, F-G+V XR | 1 | 10 | 50 | RT | 400°C | |
| 400-150, F-G+V | 10 | 25 | 150 | RT | 400°C | |
[1] Especificación de vacío: 0,0075 Torr posible (requiere bomba de vacío adecuada)
[2] La muestra se puede enfriar hasta -196 °C o -186 °C, rango de control de temperatura continua de -150 °C a 400 °C
[3] Hasta 400°C con presiones que no exceden los 150 bar
[4] No equipado con calentador eléctrico
Exclusiva tecnología de balanza de suspensión magnética
Exclusiva tecnología de balanza de suspensión magnética
En el corazón de cada instrumento Rubotherm, se encuentra la balanza de suspensión magnética (MSB), que pesa una muestra en una celda de reactor cerrada con una microbalanza externa. Esto es posible gracias a un acoplamiento de suspensión magnética que transmite la fuerza del peso a través de la pared de la celda de muestra.
En este diseño, se conecta un imán de suspensión permanente en la parte superior de un eje de suspensión interna superior. Se conecta un eje de suspensión interna inferior a un crisol que sostiene un material de muestra. Entre los ejes de suspensión superior e inferior se encuentra un mecanismo de acoplamiento de carga. Los ejes superior e inferior, y el crisol de muestra, están encerrados dentro de la celda de muestra.
Un electromagneto externo se controla para atraer al imán permanente interno. Esto eleva al imán de suspensión interno y conecta el acoplamiento de carga y, como resultado, eleva el crisol de muestra. El control electromagnético continúa aplicando fuerza atractiva hasta que el sistema alcanza una altura de punto de medición constante.
El peso de la muestra en la celda se determina por la microbalanza externa, al que está conectado el electromagneto, con alta resolución y precisión.
Función de desacoplamiento automático de muestra (ASD)
Función de desacoplamiento automático de muestra (ASD)
En el inicio de cualquier experimento gravimétrico, la balanza se tara y se calibra automáticamente para establecer un “punto cero” para la medición de peso. El punto cero es el valor usado para todas las mediciones posteriores. Sin embargo, dado que los marcos de tiempo de los experimentos pueden variar de horas a semanas, la capacidad de medir con precisión cambios de peso pequeños en tiempos extendidos puede disminuir por la desviación en el punto cero. La desviación en general se debe a factores externos, como fluctuaciones en la temperatura del laboratorio y en la presión de aire o la humedad.
Los intentos por mejorar la precisión de señal fueron realizar tradicionalmente ejecuciones de referencia con el crisol vacío y restarlas de la ejecución de muestra. Este método no es ideal, ya que duplica los tiempos de los experimentos y es inherentemente defectuoso ya que no hay dos experimentos exactamente iguales. Solo el IsoSORP SA de TA, con tecnología de MSB patentada, proporciona la función exclusiva de desacoplamiento automático de muestras (ASD) para correcciones de desviación en tiempo real, lo que aumenta la precisión del peso a niveles anteriormente no logrados, especialmente para mediciones a largo plazo.
Cómo funciona ASD:
Tal como se muestra en la figura anterior, el diseño MSB incluye un acoplamiento de carga de eje. Cuando el electromagneto recibe energía, atrae al imán permanente que está conectado al eje superior. El eje superior se eleva, se conecta al acoplamiento, y eleva el crisol hasta el punto de medición para realizar la medición de peso. En cualquier momento durante el experimento, el imán de suspensión permanente se puede desplazar hacia abajo para desacoplarlo del crisol de muestra.
Durante este movimiento descendente, el acoplamiento de carga del eje se coloca suspendido en un soporte. El imán de suspensión permanece en un estado de flotación libre, y transfiere su peso a la balanza. Al realizar el movimiento hasta esta nueva posición de punto cero correspondiente a la balanza sin carga, son posibles la tara y la calibración durante las mediciones, incluso en condiciones de proceso (presión, temperatura) en la celda de muestra. Esta exclusiva calibración automática controlada por software de la balanza, durante las mediciones, está disponible SOLO en el analizador gravimétrico comercial de TA Instruments.
Mediciones de peso de muestra doble y densidad de fase de gas
Mediciones de peso de muestra doble y densidad de fase de gas
El IsoSORP se puede configurar con un segundo acoplamiento de carga y posición de la muestra, lo que permite la medición de peso de dos muestras durante un solo experimento. Esta función se puede usar para mediciones comparativas de dos muestras (por ejemplo, la comparación de muestras reactivas y de referencia), o bien, para la determinación de la adsorción y la densidad de la atmósfera gaseosa en el reactor.
El segundo acoplamiento y la posición de la muestra crean un total de tres posiciones verticales en las que se controla el MSB. Estas son el Punto cero o Posición de tara, el Punto de medición 1 y el Punto de medición 2. Esta capacidad se demuestra mediante una serie de diagramas esquemáticos en la figura anterior:
- Posición de punto cero: Solo el imán permanente se suspende para tarar y/o calibrar la microbalanza.
- Punto de medición 1: El imán permanente se eleva, conectando el primer acoplamiento, donde el peso de la primera muestra reactiva (adsorbente, catalizador, materiales orgánicos, etc.) está determinado por la medición de adsorción 1.
- Punto de medición 2: Con el primer acoplamiento conectado, el imán permanente se eleva más para conectarse con el segundo acoplamiento, elevando y pesando la masa combinada de ambas muestras. Al restar el peso medido en el Punto de medición 1 del peso combinado, el peso de la segunda muestra se determina para la medición de adsorción 2. En el caso de determinar la densidad de la fase de fluido en el reactor, una platina inerte con volumen conocido funciona como segunda muestra. Al usar el principio de Arquímedes, la densidad de la fase de gas en el reactor se determina con precisión desde la fuerza de flotabilidad que actúa sobre la platina
Corrección de flotabilidad automática para precisión de masa real sin igual
Corrección de flotabilidad automática para precisión de masa real sin igual
En las mediciones de adsorción, una muestra se expone a un gas de reacción a temperatura y presión controladas. Normalmente, la presión se incrementa de manera gradual, y se miden los cambios de la masa debido a la absorción y adsorción del gas en/sobre la muestra. Junto con la masa de muestra, cambia la densidad de fase de gas con la presión y/o la temperatura, lo que resulta en un cambio en el efecto de flotabilidad que actúa sobre la muestra. El efecto de flotabilidad es la masa de la atmósfera del gas de reacción que es desplazada por la muestra, lo que resulta en una ”aparente” pérdida de masa de muestra o una medición de “masa de muestra aparente” tal como se observa en la balanza. El efecto de flotabilidad se debe corregir para obtener la “masa de muestra real”
Cualquier balanza solo puede medir la diferencia entre la masa de muestra real y el efecto de flotabilidad que actúa sobre la muestra, o lo que se conoce como masa aparente. Para corregir la masa de la muestra para el efecto de flotabilidad, la masa del gas desplazado, (mG), debe sumarse a la masa de muestra aparente pesada por la balanza (Δm), (Ecuación 1). Para determinar con precisión la masa del gas desplazado, es necesario conocer tanto el volumen de la muestra, (V) como la densidad del gas (ρG) (Ecuación 2).
A diferencia de los analizadores de adsorción convencionales que dependen de los datos de presión y temperatura para calcular ρG a partir de las ecuaciones de estado, IsoSORP realiza una medición gravimétrica directa. El exclusivo diseño incorpora una segunda posición de pesaje, donde se coloca una “platina” inerte de masa y volumen conocidos. Una medición de pesaje simple de la “platinar” proporciona una determinación directa en el lugar del ρG real. Esto es mucho más preciso que el método de cálculo y, dado que es una medición directa de la densidad, proporciona resultados correctos incluso si el gas de reacción no es un fluido puro.
Además, el IsoSORP determina en forma automática el volumen de la muestra en forma precisa mediante una medición de flotabilidad usando He como gas de reacción. Dado que IsoSORP es el único instrumento para realizar mediciones directas y altamente precisas de ρG y V, la masa del gas desplazado también se determina de manera directa, lo que proporciona precisión sin igual en la medición de la masa real de la muestra.
Control de la temperatura de muestra
Control de la temperatura de muestra
Los instrumentos IsoSORP SA están disponibles en configuraciones que ofrecen un RANGO DE TEMPERATURA MÁXIMO de -196 °C a 400 °C
Cada instrumento IsoSORP está equipado con un sistema de temperatura de circulador líquido que proporciona control de temperatura en el rango de temperatura ambiente a 150 °C. Para las configuraciones de LT se encuentra disponible en una versión de baja temperatura que proporciona control desde -20 °C hasta 100 °C.
El crioenfriamiento está disponible para la configuración de frío para pruebas isotérmicas a -196 °C al usar nitrógeno líquido, o bien, -186 °C al usar argón líquido. Un sistema de enfriamiento por gas frío opcional proporciona control de temperatura baja ampliado desde -150 °C hasta un máximo de 20 °C en la configuración de frío.
La mayoría de las configuraciones del instrumento IsoSORP incluyen un sistema de calentamiento de muestra, que amplía el rango de control de temperatura de los circuladores de líquido. Con el calentamiento eléctrico, se pueden controlar las temperaturas de la muestra de 100 °C aproximadamente a un máximo de 400 °C. En el caso de los sistemas configurados con una presión máxima de 350 bat, la temperatura máxima se limita a 150 °C cuando funciona a presiones que superan los 150 bar.
Se preconfiguran más de veinte modelos de IsoSORP SA para satisfacer los requisitos de las aplicaciones de los clientes. Consulte las Especificaciones del instrumento para más detalles.
Sistemas de dosificación
Sistemas de dosificación
Sistemas de control de presión, mezcla y dosificación de gas y vapor
La presión de las mediciones de adsorción depende del control preciso de la presión y la composición de la atmósfera de reacción. El IsoSORP SA cuenta con tres sistemas sofisticados de mezcla y dosificación de vapor y gas, con controladores de temperatura que garantizan la más alta calidad de los datos, al mismo tiempo que proporcionan flexibilidad para abordar el más amplio rango de aplicaciones.
Controladores de presión estáticos, para usar con vapor o gas puro, llenan la cámara de muestra con la atmósfera de reacción hasta llegar al punto establecido, después del cual no fluyen más gases ni vapor. Los sistemas de control de presión y dosificación de flujo, para usar con gas puro, mezclas de gas y mezclas de gas y vapor, generan un flujo continuo de la atmósfera de reacción en la celda de la muestra por medio de un controlador de presión dinámico en la salida. Los sistemas de dosificación de mezcla se utilizan con mezclas de gas y mezclas de gas y vapor. Estas unidades permiten la mezcla y la dosificación volumétrica de mezclas de composición controlada para mediciones de selectividad.
Los controladores de presión estáticos están disponibles en versiones clentadas exclusivas para aplicaciones que incluyen vapores (por ejemplo, agua, hidrocarburos, solventes) y líquidos condensables (ejemplo: CO2, NH3, butano). El calentamiento previene la condensación, incluso a altas presiones. Las limitaciones de otros analizadores de adsorción comerciales en el rango de control P se eliminan y se hace posible un amplio rango de aplicaciones sin igual.
Los sistemas de dosificación de gas y vapor están equipados con una pantalla táctil para visualizar el estado real y la presión de la atmósfera de reacción en el instrumento IsoSORP. El funcionamiento automático y la recolección de datos están controlados mediante el software RSCS. En la siguiente tabla se resume una lista de Sistemas de dosificación de gas y vapor disponibles y las especificaciones.
| Modelo de sistema de dosificación | En movimiento/estático | Presión máxima[1]] | Calentamiento anti condensación | Gas puro, vapor, líquido subcrítico | Mezcla de gases[2], gases[2]+ vapor |
| 50 F-G | En movimiento | 50 bar | — | G, SC[3] | G |
| 50 F-G+V | 50 bar | 200°C | G, SC[3], V | G, G+V | |
| 150 F-G | 150 bar | G, SC[3] | G | ||
| 150 F-G+V | 150 bar | 200°C | G, SC[3], V | G, G+V | |
| 50 S-G+V | Estático | 50 bar | 150°C | G, SC[4], V | — |
| 150 S-G | 150 bar | — | G, SC[3] | — | |
| 150 S-SC | 150 bar | 100°C | G, SC[5] | — | |
| 350 S-SC | 350 bar | 100°C | G, SC[5] | — | |
| 700 S-SC | 700 bar | 100°C | G, SC[5] | — |
[1] Especificación de vacío: 0,0075 Torr posible (requiere bomba de vacío adecuada)
[2] Incluye líquidos subcríticos (SC) hasta los límites de presión máxima especificados
[3] presión máxima para líquidos subcríticos limitada a ca. 40% de presión de condensación a temperatura ambiente
[4] presión máxima para líquidos subcríticos limitada a ca. 40% de presión de condensación a 150°C
[5] presión máxima para líquidos subcríticos limitada a ca. 40% de presión de condensación a 100°C
Mediciones de adsorción de gases tóxicos y corrosivos
Mediciones de adsorción de gases tóxicos y corrosivos
En muchas aplicaciones, se generan o usan gases tóxicos y/o corrosivos. La adsorción es normalmente el método de elección para separar o limpiar las mezclas que contienen estos gases. Las isotermas de adsorción de todos los gases involucrados son la base del diseño adecuado de procesos y materiales de limpieza mediante adsorción. Debido a que el diseño de IsoSORP SA aísla por completo la atmósfera de reacción del entorno, permite realizar mediciones de adsorción con gases corrosivos y tóxicos para brindar las isotermas de adsorción para desarrollo de materiales y proceso.
El gas natural y el biogas pueden contener una concentración relativamente alta de H2S, que es un contaminante tóxico y corrosivo, y debe ser eliminado del gas antes de usar. La adsorción selectiva de H2S de la mezcla de gas natural se puede usar para este proceso de limpieza – si el H2S se adsorbe preferentemente en comparación con CH4, que es el principal componente y una sustancia valiosa de gas natural y biogas. En el siguiente diagrama, se compara la isoterma de adsorción de H2S puro y CH4 puro en un carbón activado. La medición se realizó a 25 °C y abarcó por encima del 70 % del rango de presión de vapor de H2S. Se determinó que la adsorción de H2S es aproximadamente tres veces mayor que la adsorción de CH4.
El amoníaco es una sustancia tóxica y corrosiva con un potencial de olor altamente molesto. Por consiguiente, el amoníaco se debe retirar de diferentes tipos de gases residuales; por ejemplo, la ventilación del tratamiento para agricultura y aguas residuales. Además, los ciclos de refrigeración de adsorción que usan amoníaco como líquido de trabajo se consideran una mejor alternativa desde el punto de vista del medio ambiente, para proporcionar, por ejemplo, aire acondicionado. Para todos estos procesos, la isoterma de adsorción y desorción del amoníaco es la información básica que se necesita. En el siguiente diagrama, se muestran las isotermas de adsorción y desorción de amoníaco en un carbón activado a 25°C como función de presión. Dado que el amoníaco es un vapor a temperaturas por debajo de los 132,4 °C, las isotermas que se muestran, de hecho son adsorción y desorción de vapor. El rango de presión de vapor relativo, que se muestra en el segundo eje X del gráfico, cubierto en esta medición oscila hasta 0,999.
Las mediciones en los siguientes ejemplos se realizaron con un instrumento IsoSORP SA (400-150, S-SC) con controlador de presión calentado. Gracias al controlador de presión calentado, los vapores subcríticos H2S y NH3 se pueden usar hasta altas temperaturas sin condensación.
Mediciones de adsorción de gases tóxicos y explosivos
Mediciones de adsorción de gases tóxicos y explosivos
A menudo, los procesos de combustión técnica no oxidan el combustible por completo. Por consiguiente, se puede generar CO. Además, en los procesos de gasificación de carbón y biomasa, reformado con vapor y gas de alto horno, se pueden generar cantidades relativamente altas de CO. Este gas tóxico, que según se conoce contamina algunos catalizadores, debe ser retirado antes de continuar con el proceso de limpieza de gas descendente. La adsorción generalmente es un proceso confiable para la separación y limpieza de gas. Para seleccionar o desarrollar los materiales de adsorción apropiados, se necesitan las isotermas de adsorción. En el diagrama anterior, se compara la adsorción de CO y de CH4 a 25 °C en un carbón activado a altas presiones. Este material de adsorción obviamente no es apto para extraer CO de CH4, ya que preferentemente se adsorbe CH4.
Las mediciones con gases permanentes, tal como se muestra en el diagrama anterior, se pueden realizar con todos los instrumentos IsoSORP SA equipados con sistemas de dosificación de gas en movimiento o controladores de presión estática.
Adsorción de líquidos subcríticos y gas de alta presión
Adsorción de líquidos subcríticos y gas de alta presión
Las mediciones de adsorción de gas de alta presión en materiales porosos y adsorbentes proporcionan importantes mediciones relevantes para aplicaciones y procesos, para comprender las interacciones de sólido-gas. El análisis de adsorción de alta presión no solo proporciona cambios de masa cuantitativos y tasas cinéticas de adsorción y desorción, sino también información acerca del mundo real, capacidad de adsorción relevante para las aplicaciones, accesibilidad de poros y calor isotérmico de adsorción. Los materiales comúnmente estudiados incluyen: carbón activado, zeolita, híbridos metálicos, estructuras metal-orgánicas (MOF) y sílice.
Con los instrumentos IsoSORP SA de la serie Rubotherm, se puede medir la adsorción de gas de alta presión con una excelente precisión y reproducibilidad. Para demostrar la reproducibilidad de la medición, se utilizaron instrumentos IsoSORP SA de diversas configuraciones para realizar mediciones de adsorción de nitrógeno (N2) de alta presión en un material de referencia interno. En el siguiente diagrama, se comparan los resultados para mediciones de adsorción de N2 en el rango de presión de hasta 150 bar, entre cuatro instrumentos IsoSORP SA con configuraciones estáticas o en movimiento. La reproducibilidad de las mediciones realizadas en diferentes instrumentos con diferentes configuraciones es excelente.
Los instrumentos IsoSORP proporcionan datos de adsorción de excedente de Gibbs. Los datos de adsorción de excedente tienen corrección de flotabilidad/volumen muerto, mediante el volumen esquelético del material de adsorción medido, con He como gas de referencia. Se rechaza el volumen de poro en aumento ocupado por el adsorbato. Por consiguiente, las isotermas de adsorción de excedente disminuyen después de pasar por un máximo en alta presión. A alta presión, y generalmente alta adsorción y ocupación de poro, la diferencia entre la adsorción de excedente y la adsorción absoluta puede ser notoria. Esto se muestra en el diagrama de la parte inferior derecha. Aquí, se compara la adsorción de excedente de CH4 en una muestra de carbón de 30 °C y a presiones de hasta 330 bar con la adsorción absoluta.
El software RSCS de la serie Rubotherm realiza con facilidad la conversión de adsorción de excedente a adsorción absoluta, en base a los datos experimentales. La densidad del adsorbato se determina a partir de la parte que disminuye de la isoterma de adsorción de excedente y se proporciona como resultado del tratamiento de datos.
Adsorción de líquidos subcríticos y gas de alta presión
Adsorción de líquidos subcríticos y gas de alta presión
Las más altas presiones normalmente se producen en formaciones geológicas bien profundas. El gas natural se puede adsorber en formaciones de carbón o esquisto a varios miles de metros de profundidad. Para utilizar estos depósitos de gas no convencionales, la cantidad de gas de estos materiales se debe medir en condiciones de presión y temperatura idénticas. Los instrumentos IsoSORP SA se pueden utilizar para mediciones de hasta 700 bar y 150 °C, y esas son aproximadamente las condiciones a una profundidad de 5,000 m. El siguiente diagrama presenta la capacidad medida de CH4 en pies cúbicos por tonelada de esquisto a presiones de hasta 700 bar y a diferentes temperaturas. Los datos permiten extraer conclusiones acerca de la capacidad de un depósito de gas de esquisto geológico.
Al medir la adsorción de presión alta con fluidos que están en estado subcrítico a temperatura ambiente, se requiere un instrumento completamente calentado. Cualquier punto frío en la parte humedecida del instrumento resultaría en la condensación del fluido subcrítico (SC) y en la disminución de la temperatura del sistema. Los instrumentos IsoSORP SA se pueden equipar con controladores de presión calentados que garantizan que la temperatura de todas las partes humedecidas esté por encima de la temperatura crítica de muchos fluidos SC técnicamente relevantes (por ejemplo: CO2, butano, NH3); esto facilita las mediciones mediante fluidos SC a altas presiones.
El diagrama de la parte inferior derecha muestra la adsorción de CO2 en un poliol poliéter a 35 °C y presiones de hasta 80 bar*. El poliol se utiliza para fabricar espumas de poliuretano rígidas, y la espuma se logra mediante la liberación de gas de CO2. Para desarrollo de materiales y proceso, es necesario conocer la solubilidad de CO2 con presión y temperatura controladas. Los instrumentos IsoSORP SA están diseñados para generar estos datos.
Los materiales adsorbentes no rígidos (ej.: polímeros y líquidos iónicos) cambian su volumen/densidad con el gas adsorbido. Este cambio de volumen es muy importante para el tratamiento de datos y el diseño de procesos. IsoSORP SA se puede equipar para este propósito con una celda de muestra de alta presión, con ventanas que permiten detectar de manera óptica el cambio de volumen del material de prueba. A la derecha se incluye una imagen de un IsoSORP SA con una celda de muestras de alta presión que incluye ventanas. El volumen de polímero resultante con CO2 adsorbido se muestra como datos verdes en el diagrama anterior*.
* Datos tomados de: M. R. Di Caprio, et al. : Soluciones de poliol poliéter/CO2: Solubilidad, difusividad mutua, volumen específico y tensión de las superficies de contacto mediante gravimetría acoplada-análisis de forma de caída simétrica de eje; equilibrio de fase de fluido; 425 (2016), 342-350
Adsorción de vapor
Adsorción de vapor
Varias aplicaciones de ciencia de materiales e ingeniería química básica requieren una comprensión fundamental de la adsorción de vapor. Algunos ejemplos incluyen el secado de gases o aire, la limpieza de gases de salida, la separación de gases de refinería y los procesos de humedecimiento y secado de productos farmacéuticos o alimentos. Para estos ejemplos y para muchos más, las isotermas y cinéticas de adsorción y desorción de los vapores de agua y de solventes orgánicos son fundamentales para el diseño de procesos y/o formulación de materiales adecuados.
Los sistemas IsoSORP SA configurados con sistemas de dosificación de vapor y gas son ideales para mediciones superiores de adsorción de vapor. El diseño exclusivo de IsoSORP con capacidades de caletamiento de anticondensación permite realizar mediciones con presiones de humedad/vapor muy altas, que usan atmósferas de vapor puro y gas humidificado técnicamente relevantes. Se muestra un ejemplo en el diagrama derecho para las isotermas de adsorción y desorción de vapor de agua puro (no gas portador) a 120 °C en un carbón activado. El rango de presión en esta medición es de hasta 1,8 bar, lo que equivale aproximadamente a una presión de saturación del 90 % a 120 °C. Las isotermas muestran la forma típica de un material adsorbente hidrofóbico que prácticamente no tiene adsorción por debajo de la saturación del 50 %. Luego la adsorción aumenta gradualmente a un incremento de peso de casi 45 %. La isoterma de desorción muestra un ciclo de histéresis en comparación con la isoterma de adsorción.
Se muestra otro ejemplo en la figura debajo de la adsorción de vapor de diclorometano puro en un carbón activado a 25 °C. El diclorometano es un material altamente utilizado como solvente y agente limpiadores. Este material es tóxico y no se debe liberar hacia el ambiente. Para la extracción de diclorometano y otros solventes orgánicos, la adsorción en carbón activado es el método estándar. Los resultados que muestran la isoterma de vapor orgánico muestran una isoterma de adsorción típica de Tipo 1 en carbón activado con cargas de hasta 65 wt%.
IsoSORP SA de Rubotherm se encuentra disponible en múltiples configuraciones para mediciones de adsorción de vapor estático en atmósfera de vapor puro controlada por presión o en un flujo de gas portador humidificado. La selección del método utilizado para mediciones depende de la aplicación de material específica; no obstante, un instrumento confiable proporciona el resultado equivalente independientemente de la técnica. Para demostrar las capacidades superiores de IsoSORP, la siguiente figura muestra una comparación de la adsorción de vapor de agua como vapor puro y de un portador de N2 a 150 °C. Aquí se puede apreciar que las configuraciones de IsoSORP producen datos equivalentes independientemente de la aplicación.
- Descripción
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El IsoSORP SA es un instrumento gravimétrico que cuenta con una balanza de suspensión magnética patentada* que permite realizar mediciones de adsorción en entornos de alta presión o de vacío.
Las muestras se pueden medir en presencia de una variedad de gases o vapores en un amplio rango de temperatura que abarca de -196 °C a 400 °C. Una selección flexible de dispositivos de dosificación y mezcla proporcionan un control preciso de la composición y de la presión de la atmósfera de reacción. Diseñado y construido con más de 20 años de experiencia y probado en el campo por cientos de clientes, IsoSORP SA de la serie Rubotherm ofrece el más amplio rango de presión de todos los analizadores de adsorción gravimétricos y representa el estándar de la industria para análisis relevantes para aplicaciones.
* Patente alemana n.° 10 2009 009 204.8
- Características
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Características y ventajas:
- El pesaje de muestras sin contacto permite la separación hermética entre la celda de muestra y la balanza, lo que elimina el riesgo de daño de balanza de los gases con reacción, la presión o la temperatura dentro de la celda de muestra
- La celda del reactor de muestras sellada metálicamente permite realizar mediciones en gases con reacción tóxica, explosiva o corrosiva, desde temperaturas criogénicas hasta temperaturas altas, y desde vacío a alta presión.
- El exclusivo desacoplamiento automático de muestra permite la tara de balanza durante experimentos y proporciona estabilidad de referencia inigualable a largo plazo, para lograr las mediciones más precisas sin las calibraciones de balanza manual que requieren los dispositivos de la competencia
- Se puede calentar la celda de muestras completa humedecida mediante gases de reacción, evitando la condensación de vapores de gas de reacción, como vapor de agua, CO2, amoníaco, etc., incluso a altas presiones o humedad
- La medición gravimétrica de la densidad del gas de reacción en la celda de muestra permite la corrección automática y precisa de la flotabilidad de los datos gravimétricos en todas las condiciones de presión y temperatura, además de las composiciones de gas de reacción
- El gran rango de pesaje dinámico y el volumen de la muestra permiten realizar mediciones con muestras representativas, grandes y/o pesadas
- Especificaciones
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Balanza de suspensión magnética (MSB) Presión[1] Temperatura Tipo de sistema de dosificación Modelo de IsoSORP SA Resolución (μg) Rango de masa (g) Presión máxima (bar) Min (°C) Max (°C) 400-150, S-G 10 25 150 RT 400°C Gas estático
(S-G)400-150, S-G XR 1 10 150 RT 400°C 400-150, S-G Cryo 10 25 150 196°C[2] 400°C 400-150, S-G LT 10 25 150 -20 400°C 400-150, S-G XR LT 1 10 150 -20 400°C 400-50, S-G+V 10 25 50 RT 400°C Vapor y gas estáticos (S-G+V) 400-50, S-G+V XR 1 10 50 RT 400°C 400-150, S-SC 10 25 150 RT 400°C Gas y fluidos subcríticos estáticos
(S-SC)400-150, S-SC LT 10 25 150 -20 400°C 150-150, S-SC Visi 10 25 150 RT 150°C[4] 150-350, S-SC 10 25 350 RT 150°C[3] 150-350, S-SC LT 10 25 350 -20 150°C[3] 150-350, S-SC Visi 10 25 350 RT 150°C[4] 150-700, S-SC 10 25 700 RT 150°C[4] 400-50, F-G 10 25 50 RT 400°C Gas en movimiento
(F-G)400-50, F-G XR 1 10 50 RT 400°C 400-150, F-G 10 25 150 RT 400°C 400-150, F-G XR 1 10 150 RT 400°C 400-50, F-G+V 10 25 50 RT 400°C Gas y vapor en movimiento
(F-G+V)400-50, F-G+V XR 1 10 50 RT 400°C 400-150, F-G+V 10 25 150 RT 400°C [1] Especificación de vacío: 0,0075 Torr posible (requiere bomba de vacío adecuada)
[2] La muestra se puede enfriar hasta -196 °C o -186 °C, rango de control de temperatura continua de -150 °C a 400 °C
[3] Hasta 400°C con presiones que no exceden los 150 bar
[4] No equipado con calentador eléctrico - Tecnología
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Exclusiva tecnología de balanza de suspensión magnética
Exclusiva tecnología de balanza de suspensión magnética
En el corazón de cada instrumento Rubotherm, se encuentra la balanza de suspensión magnética (MSB), que pesa una muestra en una celda de reactor cerrada con una microbalanza externa. Esto es posible gracias a un acoplamiento de suspensión magnética que transmite la fuerza del peso a través de la pared de la celda de muestra.
En este diseño, se conecta un imán de suspensión permanente en la parte superior de un eje de suspensión interna superior. Se conecta un eje de suspensión interna inferior a un crisol que sostiene un material de muestra. Entre los ejes de suspensión superior e inferior se encuentra un mecanismo de acoplamiento de carga. Los ejes superior e inferior, y el crisol de muestra, están encerrados dentro de la celda de muestra.
Un electromagneto externo se controla para atraer al imán permanente interno. Esto eleva al imán de suspensión interno y conecta el acoplamiento de carga y, como resultado, eleva el crisol de muestra. El control electromagnético continúa aplicando fuerza atractiva hasta que el sistema alcanza una altura de punto de medición constante.
El peso de la muestra en la celda se determina por la microbalanza externa, al que está conectado el electromagneto, con alta resolución y precisión.
Función de desacoplamiento automático de muestra (ASD)
Función de desacoplamiento automático de muestra (ASD)
En el inicio de cualquier experimento gravimétrico, la balanza se tara y se calibra automáticamente para establecer un “punto cero” para la medición de peso. El punto cero es el valor usado para todas las mediciones posteriores. Sin embargo, dado que los marcos de tiempo de los experimentos pueden variar de horas a semanas, la capacidad de medir con precisión cambios de peso pequeños en tiempos extendidos puede disminuir por la desviación en el punto cero. La desviación en general se debe a factores externos, como fluctuaciones en la temperatura del laboratorio y en la presión de aire o la humedad.
Los intentos por mejorar la precisión de señal fueron realizar tradicionalmente ejecuciones de referencia con el crisol vacío y restarlas de la ejecución de muestra. Este método no es ideal, ya que duplica los tiempos de los experimentos y es inherentemente defectuoso ya que no hay dos experimentos exactamente iguales. Solo el IsoSORP SA de TA, con tecnología de MSB patentada, proporciona la función exclusiva de desacoplamiento automático de muestras (ASD) para correcciones de desviación en tiempo real, lo que aumenta la precisión del peso a niveles anteriormente no logrados, especialmente para mediciones a largo plazo.
Cómo funciona ASD:
Tal como se muestra en la figura anterior, el diseño MSB incluye un acoplamiento de carga de eje. Cuando el electromagneto recibe energía, atrae al imán permanente que está conectado al eje superior. El eje superior se eleva, se conecta al acoplamiento, y eleva el crisol hasta el punto de medición para realizar la medición de peso. En cualquier momento durante el experimento, el imán de suspensión permanente se puede desplazar hacia abajo para desacoplarlo del crisol de muestra.
Durante este movimiento descendente, el acoplamiento de carga del eje se coloca suspendido en un soporte. El imán de suspensión permanece en un estado de flotación libre, y transfiere su peso a la balanza. Al realizar el movimiento hasta esta nueva posición de punto cero correspondiente a la balanza sin carga, son posibles la tara y la calibración durante las mediciones, incluso en condiciones de proceso (presión, temperatura) en la celda de muestra. Esta exclusiva calibración automática controlada por software de la balanza, durante las mediciones, está disponible SOLO en el analizador gravimétrico comercial de TA Instruments.
Mediciones de peso de muestra doble y densidad de fase de gas
Mediciones de peso de muestra doble y densidad de fase de gas
El IsoSORP se puede configurar con un segundo acoplamiento de carga y posición de la muestra, lo que permite la medición de peso de dos muestras durante un solo experimento. Esta función se puede usar para mediciones comparativas de dos muestras (por ejemplo, la comparación de muestras reactivas y de referencia), o bien, para la determinación de la adsorción y la densidad de la atmósfera gaseosa en el reactor.
El segundo acoplamiento y la posición de la muestra crean un total de tres posiciones verticales en las que se controla el MSB. Estas son el Punto cero o Posición de tara, el Punto de medición 1 y el Punto de medición 2. Esta capacidad se demuestra mediante una serie de diagramas esquemáticos en la figura anterior:
- Posición de punto cero: Solo el imán permanente se suspende para tarar y/o calibrar la microbalanza.
- Punto de medición 1: El imán permanente se eleva, conectando el primer acoplamiento, donde el peso de la primera muestra reactiva (adsorbente, catalizador, materiales orgánicos, etc.) está determinado por la medición de adsorción 1.
- Punto de medición 2: Con el primer acoplamiento conectado, el imán permanente se eleva más para conectarse con el segundo acoplamiento, elevando y pesando la masa combinada de ambas muestras. Al restar el peso medido en el Punto de medición 1 del peso combinado, el peso de la segunda muestra se determina para la medición de adsorción 2. En el caso de determinar la densidad de la fase de fluido en el reactor, una platina inerte con volumen conocido funciona como segunda muestra. Al usar el principio de Arquímedes, la densidad de la fase de gas en el reactor se determina con precisión desde la fuerza de flotabilidad que actúa sobre la platina
Corrección de flotabilidad automática para precisión de masa real sin igual
Corrección de flotabilidad automática para precisión de masa real sin igual
En las mediciones de adsorción, una muestra se expone a un gas de reacción a temperatura y presión controladas. Normalmente, la presión se incrementa de manera gradual, y se miden los cambios de la masa debido a la absorción y adsorción del gas en/sobre la muestra. Junto con la masa de muestra, cambia la densidad de fase de gas con la presión y/o la temperatura, lo que resulta en un cambio en el efecto de flotabilidad que actúa sobre la muestra. El efecto de flotabilidad es la masa de la atmósfera del gas de reacción que es desplazada por la muestra, lo que resulta en una ”aparente” pérdida de masa de muestra o una medición de “masa de muestra aparente” tal como se observa en la balanza. El efecto de flotabilidad se debe corregir para obtener la “masa de muestra real”
Cualquier balanza solo puede medir la diferencia entre la masa de muestra real y el efecto de flotabilidad que actúa sobre la muestra, o lo que se conoce como masa aparente. Para corregir la masa de la muestra para el efecto de flotabilidad, la masa del gas desplazado, (mG), debe sumarse a la masa de muestra aparente pesada por la balanza (Δm), (Ecuación 1). Para determinar con precisión la masa del gas desplazado, es necesario conocer tanto el volumen de la muestra, (V) como la densidad del gas (ρG) (Ecuación 2).
A diferencia de los analizadores de adsorción convencionales que dependen de los datos de presión y temperatura para calcular ρG a partir de las ecuaciones de estado, IsoSORP realiza una medición gravimétrica directa. El exclusivo diseño incorpora una segunda posición de pesaje, donde se coloca una “platina” inerte de masa y volumen conocidos. Una medición de pesaje simple de la “platinar” proporciona una determinación directa en el lugar del ρG real. Esto es mucho más preciso que el método de cálculo y, dado que es una medición directa de la densidad, proporciona resultados correctos incluso si el gas de reacción no es un fluido puro.
Además, el IsoSORP determina en forma automática el volumen de la muestra en forma precisa mediante una medición de flotabilidad usando He como gas de reacción. Dado que IsoSORP es el único instrumento para realizar mediciones directas y altamente precisas de ρG y V, la masa del gas desplazado también se determina de manera directa, lo que proporciona precisión sin igual en la medición de la masa real de la muestra.
Control de la temperatura de muestra
Control de la temperatura de muestra
Los instrumentos IsoSORP SA están disponibles en configuraciones que ofrecen un RANGO DE TEMPERATURA MÁXIMO de -196 °C a 400 °C
Cada instrumento IsoSORP está equipado con un sistema de temperatura de circulador líquido que proporciona control de temperatura en el rango de temperatura ambiente a 150 °C. Para las configuraciones de LT se encuentra disponible en una versión de baja temperatura que proporciona control desde -20 °C hasta 100 °C.
El crioenfriamiento está disponible para la configuración de frío para pruebas isotérmicas a -196 °C al usar nitrógeno líquido, o bien, -186 °C al usar argón líquido. Un sistema de enfriamiento por gas frío opcional proporciona control de temperatura baja ampliado desde -150 °C hasta un máximo de 20 °C en la configuración de frío.
La mayoría de las configuraciones del instrumento IsoSORP incluyen un sistema de calentamiento de muestra, que amplía el rango de control de temperatura de los circuladores de líquido. Con el calentamiento eléctrico, se pueden controlar las temperaturas de la muestra de 100 °C aproximadamente a un máximo de 400 °C. En el caso de los sistemas configurados con una presión máxima de 350 bat, la temperatura máxima se limita a 150 °C cuando funciona a presiones que superan los 150 bar.
Se preconfiguran más de veinte modelos de IsoSORP SA para satisfacer los requisitos de las aplicaciones de los clientes. Consulte las Especificaciones del instrumento para más detalles.
Sistemas de dosificación
Sistemas de dosificación
Sistemas de control de presión, mezcla y dosificación de gas y vapor
La presión de las mediciones de adsorción depende del control preciso de la presión y la composición de la atmósfera de reacción. El IsoSORP SA cuenta con tres sistemas sofisticados de mezcla y dosificación de vapor y gas, con controladores de temperatura que garantizan la más alta calidad de los datos, al mismo tiempo que proporcionan flexibilidad para abordar el más amplio rango de aplicaciones.Controladores de presión estáticos, para usar con vapor o gas puro, llenan la cámara de muestra con la atmósfera de reacción hasta llegar al punto establecido, después del cual no fluyen más gases ni vapor. Los sistemas de control de presión y dosificación de flujo, para usar con gas puro, mezclas de gas y mezclas de gas y vapor, generan un flujo continuo de la atmósfera de reacción en la celda de la muestra por medio de un controlador de presión dinámico en la salida. Los sistemas de dosificación de mezcla se utilizan con mezclas de gas y mezclas de gas y vapor. Estas unidades permiten la mezcla y la dosificación volumétrica de mezclas de composición controlada para mediciones de selectividad.
Los controladores de presión estáticos están disponibles en versiones clentadas exclusivas para aplicaciones que incluyen vapores (por ejemplo, agua, hidrocarburos, solventes) y líquidos condensables (ejemplo: CO2, NH3, butano). El calentamiento previene la condensación, incluso a altas presiones. Las limitaciones de otros analizadores de adsorción comerciales en el rango de control P se eliminan y se hace posible un amplio rango de aplicaciones sin igual.
Los sistemas de dosificación de gas y vapor están equipados con una pantalla táctil para visualizar el estado real y la presión de la atmósfera de reacción en el instrumento IsoSORP. El funcionamiento automático y la recolección de datos están controlados mediante el software RSCS. En la siguiente tabla se resume una lista de Sistemas de dosificación de gas y vapor disponibles y las especificaciones.
Modelo de sistema de dosificación En movimiento/estático Presión máxima[1]] Calentamiento anti condensación Gas puro, vapor, líquido subcrítico Mezcla de gases[2], gases[2]+ vapor 50 F-G En movimiento 50 bar — G, SC[3] G 50 F-G+V 50 bar 200°C G, SC[3], V G, G+V 150 F-G 150 bar G, SC[3] G 150 F-G+V 150 bar 200°C G, SC[3], V G, G+V 50 S-G+V Estático 50 bar 150°C G, SC[4], V — 150 S-G 150 bar — G, SC[3] — 150 S-SC 150 bar 100°C G, SC[5] — 350 S-SC 350 bar 100°C G, SC[5] — 700 S-SC 700 bar 100°C G, SC[5] — [1] Especificación de vacío: 0,0075 Torr posible (requiere bomba de vacío adecuada)
[2] Incluye líquidos subcríticos (SC) hasta los límites de presión máxima especificados
[3] presión máxima para líquidos subcríticos limitada a ca. 40% de presión de condensación a temperatura ambiente
[4] presión máxima para líquidos subcríticos limitada a ca. 40% de presión de condensación a 150°C
[5] presión máxima para líquidos subcríticos limitada a ca. 40% de presión de condensación a 100°C - Aplicaciones
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Mediciones de adsorción de gases tóxicos y corrosivos
Mediciones de adsorción de gases tóxicos y corrosivos
En muchas aplicaciones, se generan o usan gases tóxicos y/o corrosivos. La adsorción es normalmente el método de elección para separar o limpiar las mezclas que contienen estos gases. Las isotermas de adsorción de todos los gases involucrados son la base del diseño adecuado de procesos y materiales de limpieza mediante adsorción. Debido a que el diseño de IsoSORP SA aísla por completo la atmósfera de reacción del entorno, permite realizar mediciones de adsorción con gases corrosivos y tóxicos para brindar las isotermas de adsorción para desarrollo de materiales y proceso.
El gas natural y el biogas pueden contener una concentración relativamente alta de H2S, que es un contaminante tóxico y corrosivo, y debe ser eliminado del gas antes de usar. La adsorción selectiva de H2S de la mezcla de gas natural se puede usar para este proceso de limpieza – si el H2S se adsorbe preferentemente en comparación con CH4, que es el principal componente y una sustancia valiosa de gas natural y biogas. En el siguiente diagrama, se compara la isoterma de adsorción de H2S puro y CH4 puro en un carbón activado. La medición se realizó a 25 °C y abarcó por encima del 70 % del rango de presión de vapor de H2S. Se determinó que la adsorción de H2S es aproximadamente tres veces mayor que la adsorción de CH4.
El amoníaco es una sustancia tóxica y corrosiva con un potencial de olor altamente molesto. Por consiguiente, el amoníaco se debe retirar de diferentes tipos de gases residuales; por ejemplo, la ventilación del tratamiento para agricultura y aguas residuales. Además, los ciclos de refrigeración de adsorción que usan amoníaco como líquido de trabajo se consideran una mejor alternativa desde el punto de vista del medio ambiente, para proporcionar, por ejemplo, aire acondicionado. Para todos estos procesos, la isoterma de adsorción y desorción del amoníaco es la información básica que se necesita. En el siguiente diagrama, se muestran las isotermas de adsorción y desorción de amoníaco en un carbón activado a 25°C como función de presión. Dado que el amoníaco es un vapor a temperaturas por debajo de los 132,4 °C, las isotermas que se muestran, de hecho son adsorción y desorción de vapor. El rango de presión de vapor relativo, que se muestra en el segundo eje X del gráfico, cubierto en esta medición oscila hasta 0,999.
Las mediciones en los siguientes ejemplos se realizaron con un instrumento IsoSORP SA (400-150, S-SC) con controlador de presión calentado. Gracias al controlador de presión calentado, los vapores subcríticos H2S y NH3 se pueden usar hasta altas temperaturas sin condensación.
Mediciones de adsorción de gases tóxicos y explosivos
Mediciones de adsorción de gases tóxicos y explosivos
A menudo, los procesos de combustión técnica no oxidan el combustible por completo. Por consiguiente, se puede generar CO. Además, en los procesos de gasificación de carbón y biomasa, reformado con vapor y gas de alto horno, se pueden generar cantidades relativamente altas de CO. Este gas tóxico, que según se conoce contamina algunos catalizadores, debe ser retirado antes de continuar con el proceso de limpieza de gas descendente. La adsorción generalmente es un proceso confiable para la separación y limpieza de gas. Para seleccionar o desarrollar los materiales de adsorción apropiados, se necesitan las isotermas de adsorción. En el diagrama anterior, se compara la adsorción de CO y de CH4 a 25 °C en un carbón activado a altas presiones. Este material de adsorción obviamente no es apto para extraer CO de CH4, ya que preferentemente se adsorbe CH4.
Las mediciones con gases permanentes, tal como se muestra en el diagrama anterior, se pueden realizar con todos los instrumentos IsoSORP SA equipados con sistemas de dosificación de gas en movimiento o controladores de presión estática.
Adsorción de líquidos subcríticos y gas de alta presión
Adsorción de líquidos subcríticos y gas de alta presión
Las mediciones de adsorción de gas de alta presión en materiales porosos y adsorbentes proporcionan importantes mediciones relevantes para aplicaciones y procesos, para comprender las interacciones de sólido-gas. El análisis de adsorción de alta presión no solo proporciona cambios de masa cuantitativos y tasas cinéticas de adsorción y desorción, sino también información acerca del mundo real, capacidad de adsorción relevante para las aplicaciones, accesibilidad de poros y calor isotérmico de adsorción. Los materiales comúnmente estudiados incluyen: carbón activado, zeolita, híbridos metálicos, estructuras metal-orgánicas (MOF) y sílice.
Con los instrumentos IsoSORP SA de la serie Rubotherm, se puede medir la adsorción de gas de alta presión con una excelente precisión y reproducibilidad. Para demostrar la reproducibilidad de la medición, se utilizaron instrumentos IsoSORP SA de diversas configuraciones para realizar mediciones de adsorción de nitrógeno (N2) de alta presión en un material de referencia interno. En el siguiente diagrama, se comparan los resultados para mediciones de adsorción de N2 en el rango de presión de hasta 150 bar, entre cuatro instrumentos IsoSORP SA con configuraciones estáticas o en movimiento. La reproducibilidad de las mediciones realizadas en diferentes instrumentos con diferentes configuraciones es excelente.
Los instrumentos IsoSORP proporcionan datos de adsorción de excedente de Gibbs. Los datos de adsorción de excedente tienen corrección de flotabilidad/volumen muerto, mediante el volumen esquelético del material de adsorción medido, con He como gas de referencia. Se rechaza el volumen de poro en aumento ocupado por el adsorbato. Por consiguiente, las isotermas de adsorción de excedente disminuyen después de pasar por un máximo en alta presión. A alta presión, y generalmente alta adsorción y ocupación de poro, la diferencia entre la adsorción de excedente y la adsorción absoluta puede ser notoria. Esto se muestra en el diagrama de la parte inferior derecha. Aquí, se compara la adsorción de excedente de CH4 en una muestra de carbón de 30 °C y a presiones de hasta 330 bar con la adsorción absoluta.
El software RSCS de la serie Rubotherm realiza con facilidad la conversión de adsorción de excedente a adsorción absoluta, en base a los datos experimentales. La densidad del adsorbato se determina a partir de la parte que disminuye de la isoterma de adsorción de excedente y se proporciona como resultado del tratamiento de datos.
Adsorción de líquidos subcríticos y gas de alta presión
Adsorción de líquidos subcríticos y gas de alta presión
Las más altas presiones normalmente se producen en formaciones geológicas bien profundas. El gas natural se puede adsorber en formaciones de carbón o esquisto a varios miles de metros de profundidad. Para utilizar estos depósitos de gas no convencionales, la cantidad de gas de estos materiales se debe medir en condiciones de presión y temperatura idénticas. Los instrumentos IsoSORP SA se pueden utilizar para mediciones de hasta 700 bar y 150 °C, y esas son aproximadamente las condiciones a una profundidad de 5,000 m. El siguiente diagrama presenta la capacidad medida de CH4 en pies cúbicos por tonelada de esquisto a presiones de hasta 700 bar y a diferentes temperaturas. Los datos permiten extraer conclusiones acerca de la capacidad de un depósito de gas de esquisto geológico.
Al medir la adsorción de presión alta con fluidos que están en estado subcrítico a temperatura ambiente, se requiere un instrumento completamente calentado. Cualquier punto frío en la parte humedecida del instrumento resultaría en la condensación del fluido subcrítico (SC) y en la disminución de la temperatura del sistema. Los instrumentos IsoSORP SA se pueden equipar con controladores de presión calentados que garantizan que la temperatura de todas las partes humedecidas esté por encima de la temperatura crítica de muchos fluidos SC técnicamente relevantes (por ejemplo: CO2, butano, NH3); esto facilita las mediciones mediante fluidos SC a altas presiones.
El diagrama de la parte inferior derecha muestra la adsorción de CO2 en un poliol poliéter a 35 °C y presiones de hasta 80 bar*. El poliol se utiliza para fabricar espumas de poliuretano rígidas, y la espuma se logra mediante la liberación de gas de CO2. Para desarrollo de materiales y proceso, es necesario conocer la solubilidad de CO2 con presión y temperatura controladas. Los instrumentos IsoSORP SA están diseñados para generar estos datos.
Los materiales adsorbentes no rígidos (ej.: polímeros y líquidos iónicos) cambian su volumen/densidad con el gas adsorbido. Este cambio de volumen es muy importante para el tratamiento de datos y el diseño de procesos. IsoSORP SA se puede equipar para este propósito con una celda de muestra de alta presión, con ventanas que permiten detectar de manera óptica el cambio de volumen del material de prueba. A la derecha se incluye una imagen de un IsoSORP SA con una celda de muestras de alta presión que incluye ventanas. El volumen de polímero resultante con CO2 adsorbido se muestra como datos verdes en el diagrama anterior*.* Datos tomados de: M. R. Di Caprio, et al. : Soluciones de poliol poliéter/CO2: Solubilidad, difusividad mutua, volumen específico y tensión de las superficies de contacto mediante gravimetría acoplada-análisis de forma de caída simétrica de eje; equilibrio de fase de fluido; 425 (2016), 342-350
Adsorción de vapor
Adsorción de vapor
Varias aplicaciones de ciencia de materiales e ingeniería química básica requieren una comprensión fundamental de la adsorción de vapor. Algunos ejemplos incluyen el secado de gases o aire, la limpieza de gases de salida, la separación de gases de refinería y los procesos de humedecimiento y secado de productos farmacéuticos o alimentos. Para estos ejemplos y para muchos más, las isotermas y cinéticas de adsorción y desorción de los vapores de agua y de solventes orgánicos son fundamentales para el diseño de procesos y/o formulación de materiales adecuados.
Los sistemas IsoSORP SA configurados con sistemas de dosificación de vapor y gas son ideales para mediciones superiores de adsorción de vapor. El diseño exclusivo de IsoSORP con capacidades de caletamiento de anticondensación permite realizar mediciones con presiones de humedad/vapor muy altas, que usan atmósferas de vapor puro y gas humidificado técnicamente relevantes. Se muestra un ejemplo en el diagrama derecho para las isotermas de adsorción y desorción de vapor de agua puro (no gas portador) a 120 °C en un carbón activado. El rango de presión en esta medición es de hasta 1,8 bar, lo que equivale aproximadamente a una presión de saturación del 90 % a 120 °C. Las isotermas muestran la forma típica de un material adsorbente hidrofóbico que prácticamente no tiene adsorción por debajo de la saturación del 50 %. Luego la adsorción aumenta gradualmente a un incremento de peso de casi 45 %. La isoterma de desorción muestra un ciclo de histéresis en comparación con la isoterma de adsorción.
Se muestra otro ejemplo en la figura debajo de la adsorción de vapor de diclorometano puro en un carbón activado a 25 °C. El diclorometano es un material altamente utilizado como solvente y agente limpiadores. Este material es tóxico y no se debe liberar hacia el ambiente. Para la extracción de diclorometano y otros solventes orgánicos, la adsorción en carbón activado es el método estándar. Los resultados que muestran la isoterma de vapor orgánico muestran una isoterma de adsorción típica de Tipo 1 en carbón activado con cargas de hasta 65 wt%.
IsoSORP SA de Rubotherm se encuentra disponible en múltiples configuraciones para mediciones de adsorción de vapor estático en atmósfera de vapor puro controlada por presión o en un flujo de gas portador humidificado. La selección del método utilizado para mediciones depende de la aplicación de material específica; no obstante, un instrumento confiable proporciona el resultado equivalente independientemente de la técnica. Para demostrar las capacidades superiores de IsoSORP, la siguiente figura muestra una comparación de la adsorción de vapor de agua como vapor puro y de un portador de N2 a 150 °C. Aquí se puede apreciar que las configuraciones de IsoSORP producen datos equivalentes independientemente de la aplicación.
