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Capacidades: Isotermas e Isobaras de sorcin

bajo condiciones estticas y dinmicas

Estudios de Adsorcin competitiva

De-gasificacin y pre-condicionamiento In-Situ

Cinticas de sorcin en tiempo real

Analizador dinmico y gravimtrico para la sorcin de gases/vapores

El DVS Vacuum es el nico sistema de adsorcin de gases y/o vapor gravimtrico que ofrece la oportunidad de realizar experimentos estticos y dinmicos de sorcin bajo condiciones atmosfricas y/o sub-atmosfricas y una amplia gama de temperaturas. La capacidad de realizar estudios dinmicos de sorcin de vapor/gases permite al investigador simular condiciones reales donde el material est expuesto a ciertas condiciones de temperatura, presin y flujo de gas/vapor. El DVS Vacuum proporciona informacin detallada de la capacidad de adsorcin de materiales y las interacciones que puedan ocurrir al ser expuestos a vapor de agua, vapores orgnicos, gases y sus mezclas. Ms importante an, ofrece datos sobre la comprensin fundamental de procesos de adsorcin que pueden ser utilizados en los modelos tericos existentes.El DVS Vacuum est diseado para medir con exactitud y precisin las isotermas e isobaras de adsorcin-desorcin. El sistema nico de control de inyeccin de molculas incluido en el DVS Vacuum es controlado aguas arriba y aguas abajo demostrando las cinticas de adsorcin y desorcin en tiempo real.

Esto es particularmente atractivo para los ingenieros qumicos e Investigadores pioneros trabajando con nuevos materiales para evaluar diversas propiedades de adsorcin. Estudios relacionados con sistemas de almacenamiento trmico a base de adsorcin, secado, purificacin, separacin de gases y de captura de CO2 de los gases de combustin son posibles con este instrumento. Dentro de las aplicaciones adicionales del DVS Vacuum se encuentran estudios fundamentales de secado y sorcin de materiales nano-porosos, materiales compuestos, membranas, cermicas porosas, carbn activado y procesos farmacuticos. Es posible llevar a cabo experimentos multi-componentes utilizando vapores o molculas de gases sorbato (estudios de adsorcin competitiva) exponiendo la muestra a diferentes mezclas de Gas-Vapor, Vapor-Vapor y/o gas-gas (ej. CO2-H2O, Cyclohexano-Metanol, SO2, etc). El diseo del instrumento permite la de-gasificacin in-situ de la muestra con alto vaco y temperaturas hasta 400 C. Mltiplo ciclos de adsorcin/desorcin y regeneracin de la muestra se puede realizar de forma automtica demostrando las cinticas de sorcin en tiempo real utilizando muestras de 5 a 1.000 mg.

Las zeolitas, polmeros porosos, compuestos, Aluminofosfatos (ALPO) y aluminofosfatos slice (SAPO), geles de slice, carbn activado y Metal-Organic Frameworks (MOF) son importantes clases de materiales utilizados en diversas tecnologas de sorcin. La combinacin de sus capacidades de adsorcin selectiva y disposicin jerrquica de en sus poros permite la entrada de pequeas molculas en sus estructuras internas. Tales procesos son tpicamente controlados por mecanismos de fisisorcin que se rigen por el tamao molecular, la polaridad y la naturaleza qumica de la superficie del material adsorbente. En algunos casos, interacciones qumicas especficas pueden dar lugar a procesos de quimisorcin donde el enlace entre las especia es ms fuerte. Esto representa un proceso esencial en el diseo de catalizadores heterogneos fcilmente evaluables con el DVS Vacuum.

D V S V a c u u mAnalizador dinmico y gravimtrico para la sorcin de gases/vapores

Capacidades nicas del DVS Vacuum: Adsorcin y desorcin bajo condiciones dinmicas/estticas, isotrmicas o isobricas Estudios de adsorcin competitiva de dos molculas simultneamente (ej. CO2-H2O, Toluene- H2O, MEOH- H2O Capacidad de realizar experimentos multi-componentes utilizando diferentes molculas de vapores (agua,

Tolueno, ciclohexano, Octano, Metanol, Etanol, etc) o gases (N2, CO2, CO, H2, O2, CH4, NH3, H2S, etc). Control inigualable de temperatura e inyeccin de vapores De-gasificacin In-situ con alto vaco (2x10-6 Torr) y hasta 400oC Generacin de mltiples ciclos de sorcin/desorcin y regeneracin Cinticas de sorcin y termodinmicas en tiempo real Presiones experimentales hasta 2x10-6 Torr Mediciones de adsorcin a bajas presiones relativas 0.005 Torr Capacidad mnima de entrega de Presin de Vapor relativa del agua a 25oC de 0.05% Muestras entre 5 1000mg

Uno de los principios nicos del DVS Vacuum es la capacidad de controlar y medir la entrada y salida del flujo (sorbato: gas y/o vapor); mientras que registra de forma simultnea los cambios en la masa de la muestra. Los beneficios de este principio incluyen: generacin de un amplio rango de presiones parciales experimentales, reporte de cinticas de adsorcin en tiempo real, control del tiempo de residencia de la molcula (sorbato) y ciclos trmicos. El DVS Vacuum tambin cubre una amplia gama de temperaturas permitiendo la determinacin de propiedades termodinmicas de la muestra. Esto incluye la capacidad para de-gasificar la muestra in-situ a temperaturas elevadas y alto vaco. Una amplia gama de molculas, tanto gases como vapores, se controlan a travs de un sistema de control de flujo sofisticado. Adicionalmente, el sistema de generacin de vapor y la cmara donde se coloca la muestra, se encuentran en equilibrio trmico en una incubadora. Esto permite variar de forma sencilla la molcula de sorbato a inyectar (gas o vapor) y/o variar temperatura sin preocupaciones de condensacin o contaminacin. La habilidad para seleccionar la molcula sorbato a inyectar abre las puertas a la determinacin de una gran cantidad de propiedades y parmetros fsico-qumicos.

El DVS Vacuum conceptualizado

Principio de Adsorcin dinmica utilizado en el DVS Vacuum

1. Evacuacin de la cmara. La muestra es de-gasificada in-situ a alta temperatura y alto vaco. Aguas abajo (downstream) consiste de una vlvula mariposa que controla la velocidad de bombeo. En este paso esa vlvula se mantiene completamente abierta mientras aguas arriba (upstream) los controladores de flujo msico estn cerrados.

2. Llenado de la cmara. Se abren los controladores de flujo msico aguas arriba y se procede a cerrar la vlvula mariposa aguas abajo.

3. Estado estable alcanzado. Esto es considerado un estado dinmico, donde la cantidad de molculas sorbato que entran y salen de la cmara son controladas de forma simultnea.

Modo dinmico (o esttico) de operacin Control del flujo de vapor/gases aguas arriba y

debajo de forma simultnea Mnima presin medible: 0.005 Torr Mnimo incremento programable: 0.05% P/Po Sistema cerrado bajo control trmico en el

rango de 20 70 oC Pre-calentador de muestra hasta 400 oC y a

alto vacio Sistema de inyeccin de multi-vapores/gases

(2 gases, 2 vapores, 1 gas y un vapor) Estudios de adsorcin de vapor de agua

posibles entre 20 y 70 oC hasta 90% P/Po. Rango de PPo H2Ovap limitado por encima de 70oC

Baratrons de alta precisin para mediciones de presin

Transductor para mediciones de presiones de vaco

Vapor reservoir

Gas Inlet into chamber

Gas Connection

Reference Side

Sample Side

Ultrabalance hat

1000 Torr Baratron

10 Torr Baratron

Vacuum Gas Manifold

Diseo del DVS Vacuum

Cinticas de secado y de-gasificacin de muestras

DVS Vacuum ampla la capacidad de de-gasificacin de muestras para el estudio de cinticas de secado y equilibrios de masas antes de iniciar el experimento de sorcin. Las muestras pueden ser de-gasificadas a temperaturas de hasta 400oC usando varias velocidades de calentamiento y presiones de vaco de hasta 10-7 Torr. Esto es seguido inmediatamente por el experimento de sorcin a la temperatura desead. El operador puede controlar de forma automtica el proceso de secado, enfriamiento y sorcin sin necesitad de transferir la muestra o retirarla de la cmara experimental.

Apl icac iones del DVS Vacuum

Cinticas de secado de polvos farmacuticos

Efecto de la temperatura y presiones de vaco en una muestra de Carbamazepine Dihydrate - Cinticas de deshidratacin

Curva de secado de Zeolita 13X la cual fue expuesta a 400oC y alto vaco

De-gasificacin de Zeolitas 13X

Preheater

Sample Pan

Pre-calentador de alta temperatura y vaco y adaptadores para muestras con diferentes geometras

Pre-calentador de alta temperatura para de-gasificacin/regeneracin in-situ de muestras con capacidad hasta 400 oC. La temperatura es medida con un Pt-100 termopar colocado debajo del Sample Pan o plato de muestra.

Diferentes muestras como Convertidores catalticos, pelculas delgadas y membranas porosas pueden ser examinadas en el DVS Vacuum. Como muestra la figura, es posible utilizar un alambre para conectar la muestra en la cmara experimental. Para experimentos con muestras tradicionales (polvos, bolitas, etc), la muestra se coloca en Sample Pans o platos de muestra fabricados en acero inoxidable. Existen clulas diseadas para realizar experimentos con una gran variedad de materiales y aplicaciones (difusin, permeabilidad de pelculas, celda Knudsen de presiones de vapores, etc).

Monolithic Catalyst

Materiales micro y meso porosos tales como zeolitas 4A, A10 Sylosiv, 13X, MCM-41, aluminofosfatos y MOFs han ganado mucho inters recientemente debido a sus prometedoras aplicaciones en calefaccin y tecnologas pioneras de refrigeracin. Estos materiales muestran interesantes propiedades de adsorcin (con altas o bajas capacidades de absorcin de vapor de agua a bajas presiones parciales). Como ilustracin, presentamos algunos de los resultados de un amplio estudio con estos materiales en presencia de vapor de agua resaltando: cinticas de sorcin de vapor de agua a presiones parciales bajas, la capacidad total de adsorcin, estabilidad del material despus de varios ciclos de adsorcin/desorcin a diferentes temperaturas y la energa requerida para la regeneracin de adsorbentes. En adicin, la seleccin de las diferentes molculas inyectadas y sus mezclas (alcohol- agua) da acceso a parmetros fsico-qumicos fundamentales para entender el comportamiento de los materiales en condiciones extremas. Ejemplos de isotermas e isobaras de adsorbentes prometedores se muestran a continuacin.

Adsorcin de vapor de agua en Zeolitas y MOFS con aplicaciones para la captura trmica y transformacin de calor a travs de procesos de adsorcin

Cineticas de sorcin de vapor de agua a 40oC en A10 (polvo, Grace Chemicals) grfico izquierdo. Antes de realizar el experimento de sorcin, la muestra fue de-gasificada a 180 oC al vaco de 10-5 Torr por 480 minutos y posteriormente enfriada a 40oC. La muestra fue regenerada antes de iniciar el segundo ciclo utilizando las mismas condiciones antes descritas. Las isotermas de sorcin fueron representadas en el grfico derecho.

Comparacin de isotermas de adsorcin/desorcin de vapor de agua a 25oC en Mg - MOF- 74 y TEPA - MOF- 74 ( Figura izquierda). Mg - MOF y TEPA - MOF fueron preparados por Xiao Su & Lev Bromberg de MIT, depto. Ingeniera Qumica. Comparacin de 4A (Sigma Aldrich, 1/ 16 inch dimetro, bolitas de 1-2mm ) isotermas de adsorcin/desorcin de vapor de agua a 25 , 70 y 140 oC (figura derecha) . La histresis a 25 oC se debe al hecho de que el equilibrio de masa a baja P / Po no se alcanz.

Cineticas Isobaras de sorcin a 7.14 Torr en A10 grfico izquierdo. Dos ciclos fueron estudiados notando el cambio en la masa (lnea roja) durante el paso de adsorcin (disminucin de la temperatura) y desorcin (aumento de la temperatura) ejemplificados como la lnea azul. La lnea verde representa la presin a 7.14 Torr. Las isobaras de vapor de agua en A10 fueron representadas en el grafico derecho.

Separaciones moleculares de catalizadores y zeolitas

Una amplia gama de molculas sorbato incluyendo agua, vapores orgnicos (alcoholes, tolueno, benceno, ciclohexano , xileno, acetaldehdo , etc.) y los gases son controlados a travs de un manifold de flujo sofisticado. Aplicaciones especficas basadas en adsorcin requieren la seleccin estratgica de las molculas sorbato a estudiar. Dependiendo de la molcula utilizada es posible determinar muchos parmetros fsico- qumicos, como la selectividad de tamao y o selectividad qumica de la muestra.

Sorcin de benceno a 25 C en la zeolita Y. Ciclo que muestra la cintica de adsorcin/desorcin de benceno (grfico izquierdo) y la isoterma correspondiente (grfico derecho) a 25 C. El recuadro muestra la isoterma en la regin Henry donde la presin se increment en un 0,2 % P / Po .

Comparacin de isotermas de sorcin de Tolueno a 25 y 55oC en Pt-SiO2 (grafico izquierdo). Determinacin del rea superficial usando la ecuacin BET para sorcin de Tolueno a 55oC (grfico derecho)

Adsorcin- desorcin de CO2 en 13X bajo el intervalo de presin de 0 a 760 Torr a 25oC . 13X estaba en forma de perlas con dimetro de 1-2 mm .

Adsorcin- desorcin de CO2 en Mg - MOF- 74 bajo el intervalo de presin de 0 a 760 Torr a 25 oC .

MOF y zeolitas como adsorbentes para la captura y almacenamiento de CO2.

MOF y zeolitas son materiales cristalinos porosos prometedores para la captura de CO2. Ambos materiales son fuertes candidatos debido a sus altas capacidades de adsorcin, viabilidad econmica de sus reactivos, as como la facilidad de sntesis.

Adsorbate: TolueneTemperature: 55oCSpecific surface area: 199m2/gRegression coefficient: 99.8%

Co- Adsorcin en MOF y fibras

Muchos procesos industriales, tales como la purificacin de gases, secado, filtracin y captura de carbono, utilizan MOFs, slidos porosos o polmeros porosos para la adsorcin de gases o molculas orgnicas. El vapor de agua a menudo coexiste con gases o molculas orgnicas y su concentracin puede variar en niveles muy bajos a saturados. Por lo tanto es importante entender los efectos de la presencia de vapor de agua en la adsorcin de gases o molculas orgnicas. DVS Vacuum puede ser usado para estudiar la co-adsorcin de dos adsorbatos sobre amplios rangos de temperatura presin relativa.

Sorcin de 50/50 CO2/H2O a 25 oC en una muestra de Mg - MOF- 74. Cintica de sorcin (grfico izquierdo) e isotermas de adsorcin/desorcin

correspondientes en color rojo y azul (grfico derecho)

Sorcin de 50/50 Tolueno/ H2O a 25 oC en una muestra de Fibra natural. Antes de las medidas de sorcin, la fibra fue secada a 25 C y bajo alto vaco

durante 240 min . Ciclos de adsorcin/desorcin que muestran la cinticas de Tolueno/H2O ( izquierda) e isotermas resultantes (derecha).

Pre-calentador de alta temperatura para de-gasificacin y activacinTemperatura mxima: 400oCTasas de rampa de Calefaccin: 10oC/minSensores: Pt-100 Termopar

Sistema de inyeccin de gas/vapor (control aguas arriba)El sistema de inyeccin consta de controladores de flujo msico (aguas arriba) capaces generar las tasas de flujo deseado para los gases/vapores utilizadosNmero de controladores de flujo msico: 2Escala completa: 200 sccmEspecies de adsorcin: disolventes orgnicos es decir, agua, tolueno, metanol, etanol, benceno, acetaldehdoGases: CO2, N2, 2000 ppm NH4 , H2S

Vlvula mariposa (aguas abajo)La vlvula de mariposa regula la cantidad de vapores o gases en el sistema de apertura y cierre dependiendo de la presin dentro de la cmara, mientras que la presin total se mantiene constante.

Agua y vapores orgnicosEs posible generar hasta 90% P/Po vapor de agua en el rango de temperatura entre 20 y 70 oC. Para temperaturas mayores entre 70 y 150 oC , el vapor de agua es generado bajo P/Po limitadas. La generacin de vapor de solventes orgnicos est depender del punto de ebullicin de la sustancia orgnica.

GasesAdsorcin de gases hasta presiones atmosfricas pueden ser realizados utilizando puro o mezclas de gases.

Sistema de Vaco Bomba de vaco : Bomba rotativa de paletasVaco final 1x10-3 TorrAlta bomba de vaco: Bomba turbo molecularVaco final: 4x10-8 Torr .

Soporte de vaco Manifold : acero inoxidable 316 Vlvulas de Diafragma orbital soldadaSellos : Viton , Kalrez ( MFC ), juntas de Cu Tubo : acero inoxidable de 1/4 pulgada

VacuumManifold

Preheater

Microbalance

Sample Reference

RotaryPump

TurbomolecularPump

ButterflyValve

Transducer 1 Transducer 2

Vacuum Gauge

Vapor 1 orGas 1

Gas 2 orVapor 2

MFC 1

MFC 2

TemperatureEnclosure

Esquema del DVS Vacuum

TemperaturaIncubadora cerrada con control de temperaturaRango de control: entre 20 y 70 oCExactitud de regulacin: 0.2 oCLa incubadora tambin ofrece proteccin ante posibles problemas comunes de condensacin

Medicin de masaMicro-balance de alta resolucinMasa de la muestra:Variacin de cambio de masa registrable: 150mgResolucin (precisin): 0.1 gRuido entre los picos 0.3 g

Medicin de la Presin1000 Torr Baratron: escala completa desde 0.01 hasta 1000 Torr (estndar)10 Torr Baratron: Escala completa desde 0.005 hasta10 Torr (estndar)Otros rangos disponibles bajo pedidos (100 y500 Torr)Precisin: 0.5 del valor registradoResolucin: 0.01% de la escala completa

Medicin de Presin de VacoTransductor de presin de vaco: escala completa desde 1X10-8 hasta 760 Torr

Hardware y Software del computadorEl sistema est completamente automatizado y puede ser controlado a travs del DVS Vacuum software. Es posible analizar la data en tiempo real utilizando el software de anlisis propietario de Surface Measurement Systems.

UK (Head office)Unit 5 Wharfside, Rosemont RoadAlperton, London, HA0 4PE, UKPhone: +44 (0) 208 795 9400

USA (Regional Office)2125 28th Street SW, Suite 1Allentown, PA, 18103Phone: +1 610 798 8299

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Especificaciones del sistema