L’IsoSORP SA est un instrument gravimétrique avancé et exhibant le brevet* pour la « Balance à suspension magnétique » qui permet des mesures de sorption en environnements haute pression ou sous vide.
Les échantillons peuvent être mesurés en présence d’une variété de gaz ou de vapeurs sur une vaste plage de température allant de -196 °C à 400 °C. Une sélection flexible de dispositifs de dosage et de mélange permettent un contrôle précis de la composition et de la pression de l’atmosphère de réaction. Conçu et construit sur la base de plus de 20 ans d’expérience sur le terrain, confirmée par des centaines de clients, la série IsoSORP SA de Rubotherm offre la plus vaste plage de pressions disponibles de tous les analyseurs gravimétriques de sorption et représente l’étalon industriel pour l’analyse pertinente d’application.
* Brevet allemand no. 10 2009 009 204.8
Caractéristiques et avantages:
- Le pesage sans contact avec l’échantillon favorise la séparation hermétique entre la cellule échantillon et la balance, éliminant le risque de dommage de la balance causé par les réactions gazeuses, la pression ou la température à l’intérieur de la cellule échantillon
- La cellule réacteur métalliquement scellée permet des mesures en réactions gazeuses corrosives, explosives ou toxiques, des températures cryogéniques jusqu’aux températures élevées et du vide jusqu’aux hautes pressions.
- L’unique découplage automatique de l’échantillon permet de tarer la balance durant les expériences et offre une stabilité à long terme de la référence pour des mesures les plus précises, sans l’étalonnage manuel de la balance requis par les dispositifs de la concurrence
- Toute la cellule échantillon baignée par le gaz réactionnel peut être chauffée, empêchant la condensation des vapeurs du gaz réactionnel telle que de la vapeur d’eau, de CO2, d’ammoniaque, etc., même pression ou à humidité élevée
- La mesure gravimétrique de la densité du gaz de réaction dans la cellule échantillon permet la correction automatique et précise de la poussée de l’air pour les données gravimétriques à toutes les pressions et conditions de température et pour toutes les compositions de gaz de réaction
| Balance à suspension magnétique (MSB) | Pression[1] | Température | Type de système d’alimentation | |||
| Modèle IsoSORP SA | Résolution (μg) | Plage de masses (g) | Pression max (bar) | Min (°C) | Max (°C) | |
| 400-150, S-G | 10 | 25 | 150 | RT | 400°C | Gaz statique (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 | Gaz et vapeur statiques (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 | Fluides subcritique statiques
et Gaz |
| 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 | Débit de gaz (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 | Débit de gaz et vapeur (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] Caractéristiques du vide : 0,0075 Torr possibles (nécessite une pompe à vide adéquate)
[2] L’échantillon peut être refroidi à -196 °C ou -186 °C, plage de contrôle continu de la température de -150 °C à 400 °C
[3] Jusqu’à 400 °C à des pressions n’excédant pas 150 bars
[4] Non équipé de chauffage électrique
Unique Magnetic Suspension Balance Technology
Unique technologie de balance à suspension magnétique
Au cœur de chaque instrument de Rubotherm se trouve la balance à suspension magnétique (MSB) brevetée, qui pèse l’échantillon dans une cellule réacteur fermée avec une microbalance externe. Ceci est réalisé au moyen d’un accouplement de suspension magnétique qui transmet la force de poids à travers la paroi de la cellule.
Dans cette conception, un aimant permanent à suspension est fixé au sommet d’une tige de suspension interne supérieure. Une tige de suspension interne inférieure est reliée à un creuset retenant le matériel échantillon. Un mécanisme de couplage de charge est placé entre les tiges de suspension supérieure et inférieure. Les tiges, supérieure et inférieure, et le creuset de l’échantillon sont enfermés dans la cellule échantillon.
Un électro-aimant externe est contrôlé afin d’attirer l’aimant permanent interne. Ceci élève l’aimant de suspension interne et engage le couplage de charge qui, en conséquence, soulève le creuset de l’échantillon. Le contrôle de l’électro-aimant continue d’appliquer la force d’attraction jusqu’à ce que le système atteigne une hauteur de point de mesure constant.
Le poids de l’échantillon dans la cellule est déterminé par la microbalance externe, à laquelle est connecté l’électro-aimant, avec haute précision et résolution.
Caractéristique de découplage <br>automatique de l’échantillon (ASD)
Caractéristique de découplage automatique de l’échantillon (ASD)
Au début de toute expérience de gravimétrie, la balance est automatiquement tarée et calibrée pour mettre en place un « point zéro » pour la mesure du poids. Ce point zéro est la valeur utilisée pour toutes les mesures ultérieures. Cependant, comme les temps expérimentaux peuvent varier d’heures à semaines, la possibilité de mesurer avec précision de petites variations de poids sur des temps étendues peut être réduite par la dérive du point zéro. La dérive est généralement due à des facteurs externes tels que les fluctuations de température du laboratoire et de pression d’air ou d’humidité.
Les tentatives pour améliorer la précision du signal consistent traditionnellement à effectuer des mesures de référence du creuset vide pour les soustraire aux mesures des échantillons. Cette méthode n’est pas idéale, car elle double les temps expérimentaux et est intrinsèquement erronée, car deux expériences ne sont jamais exactement identiques. Seul l’IsoSORP SA de TA, avec sa technologie MSB brevetée, offre la particularité de découplage automatique de l’échantillon (ASD) pour les corrections de dérive en temps réel, augmentant l’exactitude du poids à un niveau inégalé, en particulier pour les mesures à long terme.
Comment fonctionne l’ASD :
Comme le montre la figure ci-dessus, le concept MSB inclut une tige de couplage de charge. Lorsque l’électro-aimant est excité, il attire l’aimant permanent qui est relié à la tige supérieure. La tige supérieure se soulève, provoque l’accouplement et soulève le creuset au point de mesure pour y effectuer la mesure du poids. À tout moment pendant l’expérience, l’aimant permanent à suspension peut être déplacé vers le bas pour découpler le creuset de l’échantillon.
Au cours de ce mouvement vers le bas, la tige de couplage de charge est placée au repos sur un support. L’aimant de suspension reste dans un état flottant, transférant uniquement son poids à la balance. En se déplaçant vers cette nouvelle position du point zéro correspondant à une balance non chargée, le tarage et le calibrage sont possibles lors des mesures, même dans les conditions du processus (pression, température) dans la cellule échantillon. Cet unique calibrage automatique de la balance contrôlé par logiciel durant les mesures est disponible uniquement sur l’analyseur gravimétrique commercial de TA Instruments.
Mesures du poids de deux échantillons <br>et de densité de la phase gazeuse
Mesures du poids de deux échantillons et de densité de la phase gazeuse
Le IsoSORP peut être configuré avec un deuxième couplage de charge et de positionnement de l’échantillon, permettant la mesure du poids de deux échantillons au cours d’une unique expérience. Cette fonction peut être utilisée pour des mesures comparatives de deux échantillons (par exemple, comparaison d’échantillons réactifs et de référence), ou pour la détermination de la sorption et de la densité de l’atmosphère gazeuse dans le réacteur.
La position du deuxième accouplement et de l’échantillon crée un total de trois positions verticales, auxquelles la MSB est contrôlée. Il s’agit du Point zéro, ou position de tare, du Point de mesure 1 et du Point de mesure 2. Cette capacité est démontrée par une série de schémas dans la figure ci-dessus:
- Position point zéro : Seul l’aimant permanent est suspendu afin de tarer ou de calibrer la microbalance.
- Point de mesure 1 : L’aimant permanent est élevé, engageant le premier accouplement où le poids du premier échantillon réactif (adsorbant, catalyseur, matériels organiques, etc.) est déterminé pour la mesure 1 de sorption.
- Point de mesure 2 : Alors que le premier couplage est engagé, l’aimant permanent est ultérieurement élevé pour engager le second couplage, soulevant et pesant la masse combinée des deux échantillons. En soustrayant le poids mesuré au point de mesure 1 du poids combiné, le poids du second échantillon est déterminé pour la mesure 2 de sorption. En cas de détermination de la densité de la phase fluide dans le réacteur, un lest inerte de volume connu sert de deuxième échantillon. À l’aide du principe d’Archimède, la densité de la phase gazeuse dans le réacteur est déterminée avec précision à partir de la poussée de l’air agissant sur le lest
Correction automatique de la poussée de l’air <br>pour une précision de la masse réelle inégalée
Correction automatique de la poussée de l’air pour une précision de la masse réelle inégalée
Dans les mesures de sorption, un échantillon est exposé à un gaz de réaction à pression et température contrôlée. Habituellement, la pression est incrémentée progressivement, et les changements de masse échantillon due à l’adsorption ou à l’absorption des gaz dans/sur l’échantillon sont mesurés. Comme la masse de l’échantillon, la densité de la phase gazeuse change avec la pression et/ou la température, ce qui entraîne un changement de l’effet de poussée de l’air agissant sur l’échantillon. L’effet de poussée de l’air est la masse d’atmosphère de gaz de réaction qui est déplacée par l’échantillon, causant la perte « apparente » de masse de l’échantillon ou une mesure de « l’apparente masse de l’échantillon », telle qu’observée par la balance. L’effet de poussée de l’air doit être corrigé pour obtenir la « masse réelle de l’échantillon »
Une balance quelconque peut uniquement mesurer la différence entre la masse réelle et l’effet de poussée de l’air agissant sur l’échantillon, ou ce qu’on appelle masse apparente. Pour corriger la masse de l’échantillon pour l’effet de poussée de l’air, la masse du gaz déplacé (mG), doit être ajoutée à la masse apparente de l’échantillon pesé par la balance, (Δm), (équation 1). Pour déterminer précisément la masse du gaz déplacé, le volume de l’échantillon (V), et la densité du gaz, (ρG), doivent être connus (équation 2)..
À la différence des analyseurs de sorption classiques qui s’appuient sur les données de pression et de température pour calculer ρG à partir des équations d’État, l’IsoSORP effectue une mesure gravimétrique directe. La conception unique comporte une deuxième position de pesage où est placé un lest inerte de masse et de volume connus. Une pesée simple du « lest » fournit une détermination directe in situ de la réelle ρG. Ceci est beaucoup plus précis que la méthode de calcul et, comme c’est une mesure directe de la densité qui fournit de bons résultats même si le gaz de réaction n’est pas un fluide pur.
En outre, l’IsoSORP détermine automatiquement le volume de l’échantillon avec précision par une mesure de la poussée de l’air utilisant l’hélium comme gaz de réaction. Comme l’IsoSORP est le seul instrument capable d’effectuer des mesures directes et très précises de ρG et de V, la masse de gaz déplacée est également directement déterminée, fournissant une précision inégalée de la mesure de la masse réelle de l’échantillon
Contrôle de la température de l'échantillon
Contrôle de la température de l’échantillon
Les instruments IsoSORP SA sont disponibles sous diverses configurations offrant une GAMME DE TEMPÉRATURES MAXIMALES allant de -196 °C à 400 °C
Chaque instrument de IsoSORP est équipé d’un système de température à circulateur liquide, assurant le contrôle de la température dans la plage de température de la pièce jusqu’à 150 °C. Pour les configurations LT, il est disponible en version basse température assurant le contrôle de -20 °C à 100 °C.
Le refroidissement cryogénique (« Cryo-Cooling ») est disponible pour la configuration Cryo pour les essais isothermes à -196 °C lors de l’utilisation d’azote liquide, ou à -186 °C lors de l’utilisation d’argon liquide. Un système de refroidissement de gaz froid en option permet un contrôle à basse température prolongée à partir de -150 °C pour un maximum de 20 °C dans la configuration Cryo.
La plupart des configurations instrument IsoSORP incluent un système de chauffage électrique de l’échantillon, qui étend la plage de contrôle de la température aux circulateurs liquides. Avec le chauffage électrique, les températures d’échantillon comprises entre environ 100 °C et au maximum 400 °C peuvent être contrôlées. Pour les systèmes configurés avec pression maximale de 350 bars, la température maximale est limitée à 150 °C, lorsqu’il est utilisé à des pressions supérieures à 150 bars.
Plus d’une vingtaine de modèles d’IsoSORP SA sont préconfigurés pour répondre aux exigences d’application du client. Voir les spécifications des instruments pour plus de détails.
Systèmes de dosage
Systèmes de dosage
Systèmes de contrôle de la pression, du mélange et de dosage de gaz et de vapeur
La précision des mesures de sorption repose sur un contrôle précis de la pression et de la composition de l’atmosphère de réaction. L’IsoSORP SA dispose de systèmes sophistiqués de dosage de gaz, de vapeur et de mélange, avec des contrôleurs de pression qui garantissent la meilleure qualité des données tout en offrant la flexibilité nécessaire pour répondre à la plus vaste gamme d’applications.
Des contrôleurs de pression statique, à utiliser avec un gaz ou une vapeur purs, remplissent la chambre de l’échantillon avec l’atmosphère de réaction jusqu’à ce que le point de consigne soit atteint, après quoi aucun autre flux de gaz ou de vapeur ne circule. Les systèmes de dosage et de contrôle de la pression, à utiliser avec un gaz pur, des mélanges de gaz ou des mélanges de gaz et de vapeur, génèrent un flux continu de l’atmosphère de la réaction dans la cellule échantillon à l’aide d’un contrôleur de pression dynamique placé sur la sortie. Les systèmes de dosage de mélange doivent être utilisés avec des mélanges de gaz et des mélanges de gaz et de vapeur. Ces unités permettent le mélange et le dosage volumétrique des mélanges de composition contrôlée pour les mesures de sélectivité.
Des contrôleurs de pression statique sont disponibles en versions chauffées uniques pour les applications incluant des vapeurs (par exemple, eau, hydrocarbures, solvants) et des fluides condensables (par exemple, CO2, NH3, butane). Le chauffage empêche la condensation, même à hautes pressions. Les limites des autres analyseurs de sorption commerciaux dans la gamme P-contrôlée sont éliminées et une gamme inégalée d’application est alors permise.
Les systèmes de dosage de gaz et de vapeur sont équipés d’un écran tactile pour l’affichage de l’état réel et la pression de l’atmosphère de réaction dans l’instrument IsoSORP. Le recueil automatique des données et de l’exploitation est contrôlé par le logiciel RSCS. Une liste des systèmes de dosage de gaz et de vapeur disponibles et les spécifications sont résumées dans le tableau ci-dessous.
| Modèle de système de dosage | Flux / Statique | Pression maximale[1]] | Chauffage anti-condensation | Gaz pur, vapeur, fluide subcritique | Mélange des gaz [2] , gaz [2] + vapeur |
| 50 F-G | Flux | 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 | Statique | 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] Caractéristiques du vide : 0,0075 Torr possibles (nécessite une pompe à vide adéquate)
[2] Y compris les fluides subcritiques (SC) jusqu’en dessous des limites de pression maximale spécifiée
[3] Pression maximale pour fluides subcritiques limité à environ 40 % de la pression de condensation à température ambiante
[4] Pression maximale pour fluides subcritiques limité à environ 40 % de la pression de condensation à 150 °C
[5] Pression maximale pour fluides subcritiques limité à environ 40 % de la pression de condensation à 100°C
Mesures d’adsorption des gaz corrosifs & toxiques
Mesures d’adsorption des gaz corrosifs & toxiques
Dans de nombreuses applications, des gaz toxiques et/ou corrosifs sont utilisés ou produits. L’adsorption est souvent la méthode de choix pour séparer ou nettoyer les mélanges contenant ces gaz. Les isothermes d’adsorption de tous les gaz impliqués sont à la base de la conception appropriée des procédés de nettoyage absorbant et matériaux. Comme la conception du IsoSORP SA permet un isolement complet de l’atmosphère de la réaction de l’environnement, il permet des mesures de sorption avec des gaz corrosifs et toxiques pour fournir les isothermes d’adsorption des procédés et le développement des matériels.
Gaz naturels et biogaz peuvent contenir une concentration relativement élevée de H2S, qui est un polluant toxique et corrosif et doit être éliminé du gaz avant de pouvoir être utilisé. L’adsorption sélective de H2S issu du mélange de gaz naturel peut être utilisée pour ce processus de nettoyage – si le H2S est absorbé de préférence par rapport au CH4, étant le principal composant et la substance précieuse des gaz naturels et des biogaz. Dans le schéma ci-dessous, les isothermes d’adsorption du H2S pur et CH4 pur sur un charbon actif sont comparés. La mesure a été réalisée à 25 °C et plus de 70 % de la gamme de pression de vapeur de H2S a été couverte. L’adsorption de H2S s’est démontrée environ trois fois plus élevée que l’adsorption de CH4.
L’ammoniac est une substance toxique et corrosive avec une forte nuisance d’odeur potentielle. Par conséquent, l’ammoniaque doit être retirée de différentes sortes de gaz émis, par exemple, ventilation des eaux usées et de traitements agricoles. En outre, les cycles de réfrigération à absorption utilisant l’ammoniac comme fluide de travail sont considérés comme une meilleure alternative écologique pour alimenter, par exemple, la climatisation. Pour l’ensemble de ces processus, l’isotherme d’adsorption et de désorption de l’ammoniac constitue l’information de base nécessaire. Dans le diagramme ci-dessous, les isothermes d’adsorption et de désorption de l’ammoniac sur un charbon actif à 25 °C sont représentés en fonction de la pression. Comme l’ammoniac est à l’état de vapeur à des températures inférieures à 132,4 °C, les isothermes illustrées sont en réalité adsorption et désorption de vapeur. La plage de pression de vapeur relative, indiquée dans le second axe des abscisses du graphique, couverte de cette gamme de mesure va jusqu’à 0,999.
Les mesures dans les exemples ci-dessous ont été effectuées avec un instrument IsoSORP SA (400-150, S-SC) avec régulateur de pression chauffé. En raison du contrôleur de pression chauffé, les vapeurs sous-critiques H2S et NH3 peuvent être utilisées jusqu’à des pressions élevées sans condensation.
Mesures d’adsorption de gaz toxiques et explosifs
Mesures d’adsorption de gaz toxiques et explosifs
Souvent, les procédés de combustion technique n’oxydent pas complètement le carburant. En conséquence, du CO peut être produit. De plus, dans les processus de gazéification du charbon et de la biomasse, lors de la formation de nouvelle vapeur et dans le gaz de haut fourneau, des quantités relativement élevées de CO sont générées. Ce gaz toxique, connu pour empoisonner certains catalyseurs, doit être retiré avant l’utilisation successive dans le processus d’épuration des gaz en aval. L’adsorption est généralement un procédé fiable pour la séparation de gaz et le nettoyage. Pour sélectionner ou développer les matériaux adsorbants appropriés, les isothermes d’adsorption sont nécessaires. Dans le diagramme ci-dessus, l’adsorption de CO et de CH4 à 25 °C sur un charbon actif sont comparées à des pressions élevées. Ce matériau adsorbant n’est évidemment pas adapté pour l’élimination du CO du CH4 puisque le CH4 est absorbé préférentiellement.
Les mesures avec gaz permanents, comme illustré dans le diagramme ci-dessus, peuvent être réalisées avec tous les instruments de IsoSORP SA avec contrôleur de pression statique ou systèmes de dosage de débit gaz.
Sorbption de gaz et de fluides subcritiques à haute pression
Sorbption de gaz et de fluides subcritiques à haute pression
Les mesures de sorption de gaz à haute pression sur les matériaux poreux et absorbants fournissent des mesures importantes pour les processus et pour les applications, afin de comprendre les interactions solide-gaz. L’analyse de sorption à haute pression fournit non seulement des changements de masse quantitative et les taux cinétiques de l’adsorption et de la désorption, mais aussi des informations sur le monde réel, la capacité de sorption pertinente à application, l’accessibilité des pores et chaleur isostérique d’ adsorption. Les matériaux couramment étudiés incluent : charbon actif, zéolites, hydrures métalliques, structures organométalliques (« MOF » pour metal-organic frameworks) et silice.
Avec les instruments de Rubotherm de la série IsoSORP SA, l’adsorption des gaz à haute pression peut être mesurée avec une reproductibilité et une précision exceptionnelle. Pour démontrer la reproductibilité de la mesure, des instruments IsoSORP SA sous diverses configurations ont été utilisés pour effectuer des mesures d’adsorption d’azote à haute pression (N2) sur un matériau de référence interne. Dans le diagramme ci-dessous, on compare les résultats pour les mesures d’adsorption de N2 à des pressions allant jusqu’à 150 bars entre quatre instruments IsoSORP SA en configuration statique ou en configuration de flux. La reproductibilité des mesures effectuées dans différents instruments avec différentes configurations est excellente.
Les instruments IsoSORP fournissent les données excédentaires d’adsorption de Gibbs. Les données sur l’excès d’adsorption sont l’effet de poussée de l’air/corrigé pour le volume mort, en utilisant le volume du squelette du matériau adsorbant mesuré, avec He comme gaz de référence. Le volume croissant des pores occupés par l’adsorbat est négligé. En conséquence de l’excès d’adsorption, les isothermes diminuent après le passage par un maximum à des pressions élevées. Aux pressions élevées, et généralement forte adsorption et occupation des pores, la différence entre l’adsorption excédentaire et l’adsorption absolue peut devenir importante. Ceci est illustré dans le diagramme en bas à droite. Ici, l’excès d’adsorption de CH4 sur un échantillon de charbon à 30 °C et à pressions allant jusqu’à 330 bars est comparé à l’adsorption absolue.
Le logiciel série RSCS de Rubotherm effectue facilement une conversion de l’adsorption excédentaire avec l’adsorption absolue sur la base des données expérimentales. La densité de l’adsorbat est déterminée à partir de la partie décroissante de l’isotherme d’adsorption en excès et est fournie sur la base des résultats du traitement des données.
Sorbption de gaz et de fluides subcritiques à haute pression
Sorbption de gaz et de fluides subcritiques à haute pression
Des pressions les plus élevées se présentent régulièrement dans les formations géologiques souterraines profondes. Le gaz naturel peut être adsorbé dans des formations de charbon ou de schiste à plusieurs milliers de mètres de profondeur. Pour l’utilisation de ces réservoirs de gaz non conventionnel, la quantité de gaz dans ces matériaux doit être mesurée sous pression et de température identiques. Les instruments IsoSORP SA peuvent être utilisés pour des mesures allant jusqu’à 700 bars à 150 °C, étant approximativement les conditions à une profondeur minimale de 5 000 m. Le diagramme suivant présente la capacité de CH4 mesurée en pieds cubes par tonne de schiste jusqu’à 700 bars et à des températures différentes. Les données permettent de tirer des conclusions quant à la capacité d’un réservoir de gaz de schiste géologique.
Mesurer la sorption à haute pression avec des liquides en état subcritique à température ambiante nécessite un instrument entièrement chauffé. Tout spot froid dans la partie baignée de l’instrument se traduirait par une condensation du fluide subcritique (SC) et un abaissement de la pression du système. Les instruments IsoSORP SA peuvent être équipés de régulateurs de pression chauffés qui garantie que la température de toutes les pièces humidifiées soit supérieure à la température critique de nombreux fluides SC techniquement importants (par exemple le CO2, le butane, NH3) ; ceci facilite les mesures utilisant des fluides SC à haute pression.
Le diagramme en bas à droite montre l’absorption de CO2 dans un polyol de polyéther à 35 °C et à des pressions allant jusqu’à 80 bars*. Le polyol est utilisé pour la fabrication de mousses de polyuréthane rigides, et le moussage est accompli avec dégagement de CO2. Pour le développement du procédé et du matériel, la solubilité du CO2 à P et T contrôlées doit être connu. Les instruments IsoSORP SA sont idéalement conçus pour générer ces données.
Les matériaux absorbants non rigides (par exemple, les polymères, les liquides ioniques) changent leur volume/densité avec le gaz absorbé. Ce changement de volume est très important pour le traitement de données et la conception du processus. L’IsoSORP SA peut être équipé à cet effet d’une cellule échantillon à haute pression avec des fenêtres permettant la détection optique du changement de volume du matériau de test. Une image d’un IsoSORP SA avec cellule d’échantillon à haute pression avec des fenêtres est présentée sur la droite. Le volume résultant de polymère avec CO2 absorbé apparaît sous forme de données vertes sur le schéma ci-dessus*.
* Données tirées de : M. R. Di Caprio, et al. : Polyether polyol/CO2 solutions: Solubility, mutual diffusivity, specific volume and interfacial tension by coupled gravimetry-Axisymmetric Drop Shape Analysis; Fluid Phase Equilibria; 425 (2016), 342-350
Sorption de vapeur
Sorption de vapeur
De nombreuses applications d’ingénierie chimique et science des matériaux de base ont besoin d’une compréhension fondamentale de la sorption de la vapeur. Il s’agit par exemple de séchage des gaz ou de l’air, du nettoyage des gaz de combustion, de la séparation des gaz de raffinerie ou de l’humidification et du séchage lors des procédés pharmaceutiques ou alimentaires. Pour ces exemples et d’innombrables autres exemples, les isothermes d’adsorption et de désorption et la cinétique de l’eau et des vapeurs de solvants organiques sont des paramètres critiques pour la formulation de matériau approprié et/ou la conception du procédé.
Les systèmes IsoSORP SA configurés avec systèmes de dosage de gaz et vapeur conviennent parfaitement pour les mesures de sorption de vapeurs plus élevées. La conception unique de la IsoSORP avec des capacités de chauffage anti-condensation permet des mesures à très forte humidité/pressions de vapeur, utilisant techniquement des gaz humidifiés pertinents et des atmosphères de vapeur pures. Un exemple est présenté dans le diagramme à droit pour les isothermes d’adsorption et de désorption de vapeur d’eau pure (sans gaz porteur) à 120 °C sur un charbon actif. La gamme de pression de cette mesure va jusqu’à 1,8 bar, c’est-à-dire environ 90 % de la pression de saturation à 120 °C. Les isothermes montrent la forme typique d’un matériau adsorbant hydrophobe avec presque aucune adsorption au-dessous de 50 % de saturation. L’adsorption augmente ensuite fortement avec l’augmentation de poids de près de 45 %. L’isotherme de désorption montre une boucle d’hystérésis par rapport à l’isotherme d’adsorption.
Un autre exemple est montré dans la figure ci-dessous pour l’adsorption de vapeur de dichlorométhane pur sur un charbon actif à 25 °C. Le dichlorométhane est un matériau largement utilisé comme agent de nettoyage et solvants. Ce produit est toxique et ne doit pas être rejeté dans l’environnement. Pour le retrait du dichlorométhane et d’autres solvants organiques, l’adsorption sur charbon actif est la méthode standard. Les résultats montrent que l’isotherme de vapeur organique présente une typique isotherme d’adsorption de Type 1 sur le charbon avec charges allant jusqu’à 65 % en poids.
Le IsoSORP SA de Rubotherm est disponible en plusieurs configurations pour les mesures de sorption de vapeur statique en atmosphère de vapeur pure, sous pression contrôlée, ou à un débit de gaz porteur humidifié. La sélection de la méthode utilisée pour les mesures dépend de l’application du matériel spécifique , cependant, un instrument fiable fournira des résultats équivalents, indépendamment de la technique. Afin de démontrer les capacités supérieures de l’IsoSORP, la figure ci-dessous présente une comparaison de l’adsorption de vapeur d’eau comme vapeur pure et d’un porteur N2 à 150 °C. Il est possible d’observer que les configurations de l’IsoSORP produisent des données équivalentes, quelle que soit l’application.
- Description
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L’IsoSORP SA est un instrument gravimétrique avancé et exhibant le brevet* pour la « Balance à suspension magnétique » qui permet des mesures de sorption en environnements haute pression ou sous vide.
Les échantillons peuvent être mesurés en présence d’une variété de gaz ou de vapeurs sur une vaste plage de température allant de -196 °C à 400 °C. Une sélection flexible de dispositifs de dosage et de mélange permettent un contrôle précis de la composition et de la pression de l’atmosphère de réaction. Conçu et construit sur la base de plus de 20 ans d’expérience sur le terrain, confirmée par des centaines de clients, la série IsoSORP SA de Rubotherm offre la plus vaste plage de pressions disponibles de tous les analyseurs gravimétriques de sorption et représente l’étalon industriel pour l’analyse pertinente d’application.
* Brevet allemand no. 10 2009 009 204.8
- Fonctionnalités
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Caractéristiques et avantages:
- Le pesage sans contact avec l’échantillon favorise la séparation hermétique entre la cellule échantillon et la balance, éliminant le risque de dommage de la balance causé par les réactions gazeuses, la pression ou la température à l’intérieur de la cellule échantillon
- La cellule réacteur métalliquement scellée permet des mesures en réactions gazeuses corrosives, explosives ou toxiques, des températures cryogéniques jusqu’aux températures élevées et du vide jusqu’aux hautes pressions.
- L’unique découplage automatique de l’échantillon permet de tarer la balance durant les expériences et offre une stabilité à long terme de la référence pour des mesures les plus précises, sans l’étalonnage manuel de la balance requis par les dispositifs de la concurrence
- Toute la cellule échantillon baignée par le gaz réactionnel peut être chauffée, empêchant la condensation des vapeurs du gaz réactionnel telle que de la vapeur d’eau, de CO2, d’ammoniaque, etc., même pression ou à humidité élevée
- La mesure gravimétrique de la densité du gaz de réaction dans la cellule échantillon permet la correction automatique et précise de la poussée de l’air pour les données gravimétriques à toutes les pressions et conditions de température et pour toutes les compositions de gaz de réaction
- Spécifications
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Balance à suspension magnétique (MSB) Pression[1] Température Type de système d’alimentation Modèle IsoSORP SA Résolution (μg) Plage de masses (g) Pression max (bar) Min (°C) Max (°C) 400-150, S-G 10 25 150 RT 400°C Gaz statique
(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 Gaz et vapeur statiques (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 Fluides subcritique statiques et Gaz
(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 Débit de gaz
(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 Débit de gaz et vapeur
(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] Caractéristiques du vide : 0,0075 Torr possibles (nécessite une pompe à vide adéquate)
[2] L’échantillon peut être refroidi à -196 °C ou -186 °C, plage de contrôle continu de la température de -150 °C à 400 °C
[3] Jusqu’à 400 °C à des pressions n’excédant pas 150 bars
[4] Non équipé de chauffage électrique - Technologie
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Unique Magnetic Suspension Balance Technology
Unique technologie de balance à suspension magnétique
Au cœur de chaque instrument de Rubotherm se trouve la balance à suspension magnétique (MSB) brevetée, qui pèse l’échantillon dans une cellule réacteur fermée avec une microbalance externe. Ceci est réalisé au moyen d’un accouplement de suspension magnétique qui transmet la force de poids à travers la paroi de la cellule.
Dans cette conception, un aimant permanent à suspension est fixé au sommet d’une tige de suspension interne supérieure. Une tige de suspension interne inférieure est reliée à un creuset retenant le matériel échantillon. Un mécanisme de couplage de charge est placé entre les tiges de suspension supérieure et inférieure. Les tiges, supérieure et inférieure, et le creuset de l’échantillon sont enfermés dans la cellule échantillon.
Un électro-aimant externe est contrôlé afin d’attirer l’aimant permanent interne. Ceci élève l’aimant de suspension interne et engage le couplage de charge qui, en conséquence, soulève le creuset de l’échantillon. Le contrôle de l’électro-aimant continue d’appliquer la force d’attraction jusqu’à ce que le système atteigne une hauteur de point de mesure constant.
Le poids de l’échantillon dans la cellule est déterminé par la microbalance externe, à laquelle est connecté l’électro-aimant, avec haute précision et résolution.
Caractéristique de découplage <br>automatique de l’échantillon (ASD)
Caractéristique de découplage automatique de l’échantillon (ASD)
Au début de toute expérience de gravimétrie, la balance est automatiquement tarée et calibrée pour mettre en place un « point zéro » pour la mesure du poids. Ce point zéro est la valeur utilisée pour toutes les mesures ultérieures. Cependant, comme les temps expérimentaux peuvent varier d’heures à semaines, la possibilité de mesurer avec précision de petites variations de poids sur des temps étendues peut être réduite par la dérive du point zéro. La dérive est généralement due à des facteurs externes tels que les fluctuations de température du laboratoire et de pression d’air ou d’humidité.
Les tentatives pour améliorer la précision du signal consistent traditionnellement à effectuer des mesures de référence du creuset vide pour les soustraire aux mesures des échantillons. Cette méthode n’est pas idéale, car elle double les temps expérimentaux et est intrinsèquement erronée, car deux expériences ne sont jamais exactement identiques. Seul l’IsoSORP SA de TA, avec sa technologie MSB brevetée, offre la particularité de découplage automatique de l’échantillon (ASD) pour les corrections de dérive en temps réel, augmentant l’exactitude du poids à un niveau inégalé, en particulier pour les mesures à long terme.
Comment fonctionne l’ASD :
Comme le montre la figure ci-dessus, le concept MSB inclut une tige de couplage de charge. Lorsque l’électro-aimant est excité, il attire l’aimant permanent qui est relié à la tige supérieure. La tige supérieure se soulève, provoque l’accouplement et soulève le creuset au point de mesure pour y effectuer la mesure du poids. À tout moment pendant l’expérience, l’aimant permanent à suspension peut être déplacé vers le bas pour découpler le creuset de l’échantillon.
Au cours de ce mouvement vers le bas, la tige de couplage de charge est placée au repos sur un support. L’aimant de suspension reste dans un état flottant, transférant uniquement son poids à la balance. En se déplaçant vers cette nouvelle position du point zéro correspondant à une balance non chargée, le tarage et le calibrage sont possibles lors des mesures, même dans les conditions du processus (pression, température) dans la cellule échantillon. Cet unique calibrage automatique de la balance contrôlé par logiciel durant les mesures est disponible uniquement sur l’analyseur gravimétrique commercial de TA Instruments.
Mesures du poids de deux échantillons <br>et de densité de la phase gazeuse
Mesures du poids de deux échantillons et de densité de la phase gazeuse
Le IsoSORP peut être configuré avec un deuxième couplage de charge et de positionnement de l’échantillon, permettant la mesure du poids de deux échantillons au cours d’une unique expérience. Cette fonction peut être utilisée pour des mesures comparatives de deux échantillons (par exemple, comparaison d’échantillons réactifs et de référence), ou pour la détermination de la sorption et de la densité de l’atmosphère gazeuse dans le réacteur.
La position du deuxième accouplement et de l’échantillon crée un total de trois positions verticales, auxquelles la MSB est contrôlée. Il s’agit du Point zéro, ou position de tare, du Point de mesure 1 et du Point de mesure 2. Cette capacité est démontrée par une série de schémas dans la figure ci-dessus:
- Position point zéro : Seul l’aimant permanent est suspendu afin de tarer ou de calibrer la microbalance.
- Point de mesure 1 : L’aimant permanent est élevé, engageant le premier accouplement où le poids du premier échantillon réactif (adsorbant, catalyseur, matériels organiques, etc.) est déterminé pour la mesure 1 de sorption.
- Point de mesure 2 : Alors que le premier couplage est engagé, l’aimant permanent est ultérieurement élevé pour engager le second couplage, soulevant et pesant la masse combinée des deux échantillons. En soustrayant le poids mesuré au point de mesure 1 du poids combiné, le poids du second échantillon est déterminé pour la mesure 2 de sorption. En cas de détermination de la densité de la phase fluide dans le réacteur, un lest inerte de volume connu sert de deuxième échantillon. À l’aide du principe d’Archimède, la densité de la phase gazeuse dans le réacteur est déterminée avec précision à partir de la poussée de l’air agissant sur le lest
Correction automatique de la poussée de l’air <br>pour une précision de la masse réelle inégalée
Correction automatique de la poussée de l’air pour une précision de la masse réelle inégalée
Dans les mesures de sorption, un échantillon est exposé à un gaz de réaction à pression et température contrôlée. Habituellement, la pression est incrémentée progressivement, et les changements de masse échantillon due à l’adsorption ou à l’absorption des gaz dans/sur l’échantillon sont mesurés. Comme la masse de l’échantillon, la densité de la phase gazeuse change avec la pression et/ou la température, ce qui entraîne un changement de l’effet de poussée de l’air agissant sur l’échantillon. L’effet de poussée de l’air est la masse d’atmosphère de gaz de réaction qui est déplacée par l’échantillon, causant la perte « apparente » de masse de l’échantillon ou une mesure de « l’apparente masse de l’échantillon », telle qu’observée par la balance. L’effet de poussée de l’air doit être corrigé pour obtenir la « masse réelle de l’échantillon »
Une balance quelconque peut uniquement mesurer la différence entre la masse réelle et l’effet de poussée de l’air agissant sur l’échantillon, ou ce qu’on appelle masse apparente. Pour corriger la masse de l’échantillon pour l’effet de poussée de l’air, la masse du gaz déplacé (mG), doit être ajoutée à la masse apparente de l’échantillon pesé par la balance, (Δm), (équation 1). Pour déterminer précisément la masse du gaz déplacé, le volume de l’échantillon (V), et la densité du gaz, (ρG), doivent être connus (équation 2)..
À la différence des analyseurs de sorption classiques qui s’appuient sur les données de pression et de température pour calculer ρG à partir des équations d’État, l’IsoSORP effectue une mesure gravimétrique directe. La conception unique comporte une deuxième position de pesage où est placé un lest inerte de masse et de volume connus. Une pesée simple du « lest » fournit une détermination directe in situ de la réelle ρG. Ceci est beaucoup plus précis que la méthode de calcul et, comme c’est une mesure directe de la densité qui fournit de bons résultats même si le gaz de réaction n’est pas un fluide pur.
En outre, l’IsoSORP détermine automatiquement le volume de l’échantillon avec précision par une mesure de la poussée de l’air utilisant l’hélium comme gaz de réaction. Comme l’IsoSORP est le seul instrument capable d’effectuer des mesures directes et très précises de ρG et de V, la masse de gaz déplacée est également directement déterminée, fournissant une précision inégalée de la mesure de la masse réelle de l’échantillon
Contrôle de la température de l'échantillon
Contrôle de la température de l’échantillon
Les instruments IsoSORP SA sont disponibles sous diverses configurations offrant une GAMME DE TEMPÉRATURES MAXIMALES allant de -196 °C à 400 °C
Chaque instrument de IsoSORP est équipé d’un système de température à circulateur liquide, assurant le contrôle de la température dans la plage de température de la pièce jusqu’à 150 °C. Pour les configurations LT, il est disponible en version basse température assurant le contrôle de -20 °C à 100 °C.
Le refroidissement cryogénique (« Cryo-Cooling ») est disponible pour la configuration Cryo pour les essais isothermes à -196 °C lors de l’utilisation d’azote liquide, ou à -186 °C lors de l’utilisation d’argon liquide. Un système de refroidissement de gaz froid en option permet un contrôle à basse température prolongée à partir de -150 °C pour un maximum de 20 °C dans la configuration Cryo.
La plupart des configurations instrument IsoSORP incluent un système de chauffage électrique de l’échantillon, qui étend la plage de contrôle de la température aux circulateurs liquides. Avec le chauffage électrique, les températures d’échantillon comprises entre environ 100 °C et au maximum 400 °C peuvent être contrôlées. Pour les systèmes configurés avec pression maximale de 350 bars, la température maximale est limitée à 150 °C, lorsqu’il est utilisé à des pressions supérieures à 150 bars.
Plus d’une vingtaine de modèles d’IsoSORP SA sont préconfigurés pour répondre aux exigences d’application du client. Voir les spécifications des instruments pour plus de détails.
Systèmes de dosage
Systèmes de dosage
Systèmes de contrôle de la pression, du mélange et de dosage de gaz et de vapeur
La précision des mesures de sorption repose sur un contrôle précis de la pression et de la composition de l’atmosphère de réaction. L’IsoSORP SA dispose de systèmes sophistiqués de dosage de gaz, de vapeur et de mélange, avec des contrôleurs de pression qui garantissent la meilleure qualité des données tout en offrant la flexibilité nécessaire pour répondre à la plus vaste gamme d’applications.Des contrôleurs de pression statique, à utiliser avec un gaz ou une vapeur purs, remplissent la chambre de l’échantillon avec l’atmosphère de réaction jusqu’à ce que le point de consigne soit atteint, après quoi aucun autre flux de gaz ou de vapeur ne circule. Les systèmes de dosage et de contrôle de la pression, à utiliser avec un gaz pur, des mélanges de gaz ou des mélanges de gaz et de vapeur, génèrent un flux continu de l’atmosphère de la réaction dans la cellule échantillon à l’aide d’un contrôleur de pression dynamique placé sur la sortie. Les systèmes de dosage de mélange doivent être utilisés avec des mélanges de gaz et des mélanges de gaz et de vapeur. Ces unités permettent le mélange et le dosage volumétrique des mélanges de composition contrôlée pour les mesures de sélectivité.
Des contrôleurs de pression statique sont disponibles en versions chauffées uniques pour les applications incluant des vapeurs (par exemple, eau, hydrocarbures, solvants) et des fluides condensables (par exemple, CO2, NH3, butane). Le chauffage empêche la condensation, même à hautes pressions. Les limites des autres analyseurs de sorption commerciaux dans la gamme P-contrôlée sont éliminées et une gamme inégalée d’application est alors permise.
Les systèmes de dosage de gaz et de vapeur sont équipés d’un écran tactile pour l’affichage de l’état réel et la pression de l’atmosphère de réaction dans l’instrument IsoSORP. Le recueil automatique des données et de l’exploitation est contrôlé par le logiciel RSCS. Une liste des systèmes de dosage de gaz et de vapeur disponibles et les spécifications sont résumées dans le tableau ci-dessous.
Modèle de système de dosage Flux / Statique Pression maximale[1]] Chauffage anti-condensation Gaz pur, vapeur, fluide subcritique Mélange des gaz [2] , gaz [2] + vapeur 50 F-G Flux 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 Statique 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] Caractéristiques du vide : 0,0075 Torr possibles (nécessite une pompe à vide adéquate)
[2] Y compris les fluides subcritiques (SC) jusqu’en dessous des limites de pression maximale spécifiée
[3] Pression maximale pour fluides subcritiques limité à environ 40 % de la pression de condensation à température ambiante
[4] Pression maximale pour fluides subcritiques limité à environ 40 % de la pression de condensation à 150 °C
[5] Pression maximale pour fluides subcritiques limité à environ 40 % de la pression de condensation à 100°C - Applications
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Mesures d’adsorption des gaz corrosifs & toxiques
Mesures d’adsorption des gaz corrosifs & toxiques
Dans de nombreuses applications, des gaz toxiques et/ou corrosifs sont utilisés ou produits. L’adsorption est souvent la méthode de choix pour séparer ou nettoyer les mélanges contenant ces gaz. Les isothermes d’adsorption de tous les gaz impliqués sont à la base de la conception appropriée des procédés de nettoyage absorbant et matériaux. Comme la conception du IsoSORP SA permet un isolement complet de l’atmosphère de la réaction de l’environnement, il permet des mesures de sorption avec des gaz corrosifs et toxiques pour fournir les isothermes d’adsorption des procédés et le développement des matériels.
Gaz naturels et biogaz peuvent contenir une concentration relativement élevée de H2S, qui est un polluant toxique et corrosif et doit être éliminé du gaz avant de pouvoir être utilisé. L’adsorption sélective de H2S issu du mélange de gaz naturel peut être utilisée pour ce processus de nettoyage – si le H2S est absorbé de préférence par rapport au CH4, étant le principal composant et la substance précieuse des gaz naturels et des biogaz. Dans le schéma ci-dessous, les isothermes d’adsorption du H2S pur et CH4 pur sur un charbon actif sont comparés. La mesure a été réalisée à 25 °C et plus de 70 % de la gamme de pression de vapeur de H2S a été couverte. L’adsorption de H2S s’est démontrée environ trois fois plus élevée que l’adsorption de CH4.
L’ammoniac est une substance toxique et corrosive avec une forte nuisance d’odeur potentielle. Par conséquent, l’ammoniaque doit être retirée de différentes sortes de gaz émis, par exemple, ventilation des eaux usées et de traitements agricoles. En outre, les cycles de réfrigération à absorption utilisant l’ammoniac comme fluide de travail sont considérés comme une meilleure alternative écologique pour alimenter, par exemple, la climatisation. Pour l’ensemble de ces processus, l’isotherme d’adsorption et de désorption de l’ammoniac constitue l’information de base nécessaire. Dans le diagramme ci-dessous, les isothermes d’adsorption et de désorption de l’ammoniac sur un charbon actif à 25 °C sont représentés en fonction de la pression. Comme l’ammoniac est à l’état de vapeur à des températures inférieures à 132,4 °C, les isothermes illustrées sont en réalité adsorption et désorption de vapeur. La plage de pression de vapeur relative, indiquée dans le second axe des abscisses du graphique, couverte de cette gamme de mesure va jusqu’à 0,999.
Les mesures dans les exemples ci-dessous ont été effectuées avec un instrument IsoSORP SA (400-150, S-SC) avec régulateur de pression chauffé. En raison du contrôleur de pression chauffé, les vapeurs sous-critiques H2S et NH3 peuvent être utilisées jusqu’à des pressions élevées sans condensation.
Mesures d’adsorption de gaz toxiques et explosifs
Mesures d’adsorption de gaz toxiques et explosifs
Souvent, les procédés de combustion technique n’oxydent pas complètement le carburant. En conséquence, du CO peut être produit. De plus, dans les processus de gazéification du charbon et de la biomasse, lors de la formation de nouvelle vapeur et dans le gaz de haut fourneau, des quantités relativement élevées de CO sont générées. Ce gaz toxique, connu pour empoisonner certains catalyseurs, doit être retiré avant l’utilisation successive dans le processus d’épuration des gaz en aval. L’adsorption est généralement un procédé fiable pour la séparation de gaz et le nettoyage. Pour sélectionner ou développer les matériaux adsorbants appropriés, les isothermes d’adsorption sont nécessaires. Dans le diagramme ci-dessus, l’adsorption de CO et de CH4 à 25 °C sur un charbon actif sont comparées à des pressions élevées. Ce matériau adsorbant n’est évidemment pas adapté pour l’élimination du CO du CH4 puisque le CH4 est absorbé préférentiellement.
Les mesures avec gaz permanents, comme illustré dans le diagramme ci-dessus, peuvent être réalisées avec tous les instruments de IsoSORP SA avec contrôleur de pression statique ou systèmes de dosage de débit gaz.
Sorbption de gaz et de fluides subcritiques à haute pression
Sorbption de gaz et de fluides subcritiques à haute pression
Les mesures de sorption de gaz à haute pression sur les matériaux poreux et absorbants fournissent des mesures importantes pour les processus et pour les applications, afin de comprendre les interactions solide-gaz. L’analyse de sorption à haute pression fournit non seulement des changements de masse quantitative et les taux cinétiques de l’adsorption et de la désorption, mais aussi des informations sur le monde réel, la capacité de sorption pertinente à application, l’accessibilité des pores et chaleur isostérique d’ adsorption. Les matériaux couramment étudiés incluent : charbon actif, zéolites, hydrures métalliques, structures organométalliques (« MOF » pour metal-organic frameworks) et silice.
Avec les instruments de Rubotherm de la série IsoSORP SA, l’adsorption des gaz à haute pression peut être mesurée avec une reproductibilité et une précision exceptionnelle. Pour démontrer la reproductibilité de la mesure, des instruments IsoSORP SA sous diverses configurations ont été utilisés pour effectuer des mesures d’adsorption d’azote à haute pression (N2) sur un matériau de référence interne. Dans le diagramme ci-dessous, on compare les résultats pour les mesures d’adsorption de N2 à des pressions allant jusqu’à 150 bars entre quatre instruments IsoSORP SA en configuration statique ou en configuration de flux. La reproductibilité des mesures effectuées dans différents instruments avec différentes configurations est excellente.
Les instruments IsoSORP fournissent les données excédentaires d’adsorption de Gibbs. Les données sur l’excès d’adsorption sont l’effet de poussée de l’air/corrigé pour le volume mort, en utilisant le volume du squelette du matériau adsorbant mesuré, avec He comme gaz de référence. Le volume croissant des pores occupés par l’adsorbat est négligé. En conséquence de l’excès d’adsorption, les isothermes diminuent après le passage par un maximum à des pressions élevées. Aux pressions élevées, et généralement forte adsorption et occupation des pores, la différence entre l’adsorption excédentaire et l’adsorption absolue peut devenir importante. Ceci est illustré dans le diagramme en bas à droite. Ici, l’excès d’adsorption de CH4 sur un échantillon de charbon à 30 °C et à pressions allant jusqu’à 330 bars est comparé à l’adsorption absolue.
Le logiciel série RSCS de Rubotherm effectue facilement une conversion de l’adsorption excédentaire avec l’adsorption absolue sur la base des données expérimentales. La densité de l’adsorbat est déterminée à partir de la partie décroissante de l’isotherme d’adsorption en excès et est fournie sur la base des résultats du traitement des données.
Sorbption de gaz et de fluides subcritiques à haute pression
Sorbption de gaz et de fluides subcritiques à haute pression
Des pressions les plus élevées se présentent régulièrement dans les formations géologiques souterraines profondes. Le gaz naturel peut être adsorbé dans des formations de charbon ou de schiste à plusieurs milliers de mètres de profondeur. Pour l’utilisation de ces réservoirs de gaz non conventionnel, la quantité de gaz dans ces matériaux doit être mesurée sous pression et de température identiques. Les instruments IsoSORP SA peuvent être utilisés pour des mesures allant jusqu’à 700 bars à 150 °C, étant approximativement les conditions à une profondeur minimale de 5 000 m. Le diagramme suivant présente la capacité de CH4 mesurée en pieds cubes par tonne de schiste jusqu’à 700 bars et à des températures différentes. Les données permettent de tirer des conclusions quant à la capacité d’un réservoir de gaz de schiste géologique.
Mesurer la sorption à haute pression avec des liquides en état subcritique à température ambiante nécessite un instrument entièrement chauffé. Tout spot froid dans la partie baignée de l’instrument se traduirait par une condensation du fluide subcritique (SC) et un abaissement de la pression du système. Les instruments IsoSORP SA peuvent être équipés de régulateurs de pression chauffés qui garantie que la température de toutes les pièces humidifiées soit supérieure à la température critique de nombreux fluides SC techniquement importants (par exemple le CO2, le butane, NH3) ; ceci facilite les mesures utilisant des fluides SC à haute pression.
Le diagramme en bas à droite montre l’absorption de CO2 dans un polyol de polyéther à 35 °C et à des pressions allant jusqu’à 80 bars*. Le polyol est utilisé pour la fabrication de mousses de polyuréthane rigides, et le moussage est accompli avec dégagement de CO2. Pour le développement du procédé et du matériel, la solubilité du CO2 à P et T contrôlées doit être connu. Les instruments IsoSORP SA sont idéalement conçus pour générer ces données.
Les matériaux absorbants non rigides (par exemple, les polymères, les liquides ioniques) changent leur volume/densité avec le gaz absorbé. Ce changement de volume est très important pour le traitement de données et la conception du processus. L’IsoSORP SA peut être équipé à cet effet d’une cellule échantillon à haute pression avec des fenêtres permettant la détection optique du changement de volume du matériau de test. Une image d’un IsoSORP SA avec cellule d’échantillon à haute pression avec des fenêtres est présentée sur la droite. Le volume résultant de polymère avec CO2 absorbé apparaît sous forme de données vertes sur le schéma ci-dessus*.* Données tirées de : M. R. Di Caprio, et al. : Polyether polyol/CO2 solutions: Solubility, mutual diffusivity, specific volume and interfacial tension by coupled gravimetry-Axisymmetric Drop Shape Analysis; Fluid Phase Equilibria; 425 (2016), 342-350
Sorption de vapeur
Sorption de vapeur
De nombreuses applications d’ingénierie chimique et science des matériaux de base ont besoin d’une compréhension fondamentale de la sorption de la vapeur. Il s’agit par exemple de séchage des gaz ou de l’air, du nettoyage des gaz de combustion, de la séparation des gaz de raffinerie ou de l’humidification et du séchage lors des procédés pharmaceutiques ou alimentaires. Pour ces exemples et d’innombrables autres exemples, les isothermes d’adsorption et de désorption et la cinétique de l’eau et des vapeurs de solvants organiques sont des paramètres critiques pour la formulation de matériau approprié et/ou la conception du procédé.
Les systèmes IsoSORP SA configurés avec systèmes de dosage de gaz et vapeur conviennent parfaitement pour les mesures de sorption de vapeurs plus élevées. La conception unique de la IsoSORP avec des capacités de chauffage anti-condensation permet des mesures à très forte humidité/pressions de vapeur, utilisant techniquement des gaz humidifiés pertinents et des atmosphères de vapeur pures. Un exemple est présenté dans le diagramme à droit pour les isothermes d’adsorption et de désorption de vapeur d’eau pure (sans gaz porteur) à 120 °C sur un charbon actif. La gamme de pression de cette mesure va jusqu’à 1,8 bar, c’est-à-dire environ 90 % de la pression de saturation à 120 °C. Les isothermes montrent la forme typique d’un matériau adsorbant hydrophobe avec presque aucune adsorption au-dessous de 50 % de saturation. L’adsorption augmente ensuite fortement avec l’augmentation de poids de près de 45 %. L’isotherme de désorption montre une boucle d’hystérésis par rapport à l’isotherme d’adsorption.
Un autre exemple est montré dans la figure ci-dessous pour l’adsorption de vapeur de dichlorométhane pur sur un charbon actif à 25 °C. Le dichlorométhane est un matériau largement utilisé comme agent de nettoyage et solvants. Ce produit est toxique et ne doit pas être rejeté dans l’environnement. Pour le retrait du dichlorométhane et d’autres solvants organiques, l’adsorption sur charbon actif est la méthode standard. Les résultats montrent que l’isotherme de vapeur organique présente une typique isotherme d’adsorption de Type 1 sur le charbon avec charges allant jusqu’à 65 % en poids.
Le IsoSORP SA de Rubotherm est disponible en plusieurs configurations pour les mesures de sorption de vapeur statique en atmosphère de vapeur pure, sous pression contrôlée, ou à un débit de gaz porteur humidifié. La sélection de la méthode utilisée pour les mesures dépend de l’application du matériel spécifique , cependant, un instrument fiable fournira des résultats équivalents, indépendamment de la technique. Afin de démontrer les capacités supérieures de l’IsoSORP, la figure ci-dessous présente une comparaison de l’adsorption de vapeur d’eau comme vapeur pure et d’un porteur N2 à 150 °C. Il est possible d’observer que les configurations de l’IsoSORP produisent des données équivalentes, quelle que soit l’application.
