Introducción

Se realizó un estudio de desgasificación para determinar la eficacia de la desgasificación por flujo frente a la desgasificación por vacío. Se prepararon una sílice-alúmina amorfa y una zeolita microporosa mediante ambas técnicas y, a continuación, se recogieron isotermas de nitrógeno para ambos materiales. Las isotermas resultantes establecieron la equivalencia entre la desgasificación al vacío frente a la desgasificación por flujo.

Teoría

Las opciones típicas de desgasificación incluyen la desgasificación por vacío o por flujo. El concepto básico de la desgasificación es bastante sencillo. El material de la muestra se coloca en un entorno inerte. Este entorno inerte aprovecha el potencial químico y crea un estado favorable para que una molécula adsorbida, quizás agua o dióxido de carbono, pase de un estado adsorbido al entorno inerte. Podemos justificar esta teoría suponiendo una concentración finita de moléculas adsorbidas en la superficie frente a una concentración cero en el medio inerte. Esta suposición nos permite utilizar el principio de Le Chatelier que establece que el equilibrio debe desplazarse. Por tanto, las moléculas adsorbidas cambiarán de concentración (desorberán) para alcanzar un nuevo equilibrio químico.

Para favorecer el paso de la molécula adsorbida a un medio inerte, puede aumentarse la temperatura de la superficie. El aumento de la temperatura incrementará la velocidad de desorción. Esto establece dos requisitos clave de la desgasificación:

1. Entorno inerte - paso de la fase adsorbida
   a la inerte.
2. Calor - aumentar la tasa.

Métodos de desgasificación por vacío y por flujo

En el presente estudio aceptamos que la temperatura puede controlarse mediante diversos métodos y que los controladores de temperatura comerciales ofrecen un rendimiento repetible. En lugar de estudiar el control de la temperatura, este documento evaluará el tema del vacío frente a la desgasificación por flujo.

1. La desgasificación al vacío utiliza la acción de la masa como único método para modificar el equilibrio químico. Una molécula adsorbida tiene una concentración en la superficie, C y una presión despreciable, P=0 en la fase de vapor. La presión se mantiene cercana a cero ya que la muestra está en el vacío. El calentamiento de la muestra aumenta la velocidad de transferencia de las moléculas adsorbidas al medio inerte.
2. La desgasificación por flujo también utiliza la acción de la masa mediante una purga inerte constante. Las moléculas desorbidas son barridas del sistema a través del flujo continuo de gas inerte y la presión parcial de las moléculas desorbidas en una corriente inerte se aproxima a cero de forma similar a la técnica de vacío. El calentamiento de la muestra también aumenta la velocidad de desorción. Sin embargo, el método de purga inerte también tiene otra fuerza impulsora.

Por ejemplo, las moléculas de nitrógeno o helio golpean continuamente la superficie del material. Durante este proceso, el impulso de las moléculas que golpean la superficie se transfiere a las moléculas adsorbidas. El método del gas inerte se beneficia de un aporte adicional de energía y, en consecuencia, de una mayor velocidad de desgasificación.

Análisis

Basándonos en estas acciones fundamentales de la desgasificación en vacío y en flujo, podemos suponer que ambas técnicas proporcionan un resultado comparable. Se utilizó una sílice-alúmina amorfa y una zeolita microporosa (13X) para explorar las distintas opciones de desgasificación disponibles para los usuarios de instrumentos de adsorción de gases.

Para establecer el rendimiento de ambas técnicas de desgasificación, se preparó una muestra de alúmina silícea utilizando la matriz de instrumentos y desgasificación indicada en la Tabla 1.

Se recogieron datos de la isoterma del nitrógeno y los resultados se presentan en la figura 1. Este sencillo estudio
establece la equivalencia de las opciones de desgasificación por flujo frente a la desgasificación por vacío para materiales no microporosos.

A continuación, el estudio se amplió para investigar el uso de la desgasificación por flujo frente a la desgasificación por vacío y demostrar la utilidad de una desgasificación secundaria en puerto para establecer una muestra ultralimpia antes de los análisis de adsorción.

Se eligió la zeolita microporosa debido a la naturaleza de estos materiales para adsorber pequeñas cantidades de gas de dispersión. Los resultados de este estudio se presentan en la figura 2.

Las isotermas recogidas utilizando nitrógeno y el 13X demuestran dos tendencias claras:

1. La desgasificación en flujo o en vacío combinada con la desgasificación en puerto proporciona la isoterma de mayor calidad.
2. La desgasificación al vacío no proporciona el mismo resultado de alta calidad que la desgasificación al vacío más una posterior desgasificación en puerto.

Conclusión

La desgasificación por flujo o por vacío proporciona una superficie limpia para la adsorción. Esta conclusión se establece comparando las isotermas de nitrógeno obtenidas en una alúmina de sílice amorfa y en la zeolita 13X. La adición de desgasificación en puerto proporcionó una muestra ultralimpia desprovista de cualquier gas de dispersión, moléculas débilmente adsorbidas o moléculas de difusión limitada y difíciles de eliminar rápidamente de la superficie. La desgasificación en puerto también eliminó cualquier posibilidad de contaminación derivada del transporte de la muestra desde el desgasificador hasta la estación de análisis.

Unidades externas de preparación de muestras disponibles en Micromeritics:

FlowPrep 060 - El FlowPrep aplica calor y una corriente de gas inerte a la muestra para eliminar los contaminantes adsorbidos de la superficie y los poros. Con seis estaciones de desgasificación, esta unidad de preparación de muestras permite elegir la temperatura, el gas y el caudal más adecuados para el material de la muestra y la aplicación. Las válvulas de aguja permiten al usuario introducir el gas que fluye lentamente para evitar la fluidificación de las muestras.

VacPrep 061 - El VacPrep ofrece dos métodos para eliminar los contaminantes adsorbidos. Además del flujo de gas, esta unidad de preparación de muestras proporciona vacío para preparar muestras por calentamiento y evacuación. El VacPrep ofrece al usuario la opción de vacío o flujo de gas en cada una de las seis estaciones de desgasificación. Las válvulas de aguja permiten al usuario introducir el flujo de gas o el vacío lentamente para evitar la fluidificación de las muestras.

SmartPrep 065 - El SmartPrep aplica una corriente de gas que fluye sobre la muestra a temperaturas elevadas para eliminar los contaminantes adsorbidos. La temperatura, las velocidades de rampa y los tiempos de inmersión se controlan individualmente en las seis estaciones de desgasificación mediante un ordenador. Esta unidad de preparación de muestras contiene dos puertos serie, uno para la conexión al ordenador y otro para la conexión a un SmartPrep adicional. Se permiten hasta cinco rampas y remojos. Toda la información de desgasificación se integra en el archivo de datos de la muestra para futuras consultas.