Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Ảnh hưởng của các tham số thiết bị và đặc tính mẫu đối với sự phân hủy nhiệt: giải thích dữ liệu phân tích nhiệt từ Sao Hỏa
Tóm tắt
Các thiết bị phân tích nhiệt đã được sử dụng trên Sao Hỏa bởi các nhiệm vụ Viking, Phoenix và MSL. Những thiết bị này có thể rất hữu ích trong việc xác định các khoáng vật có chứa chất dễ bay hơi như cacbonat, sulfat hoặc phyllosilicate với hàm lượng rất thấp. Việc xác định khoáng vật được thực hiện bằng cách so sánh hành vi phân hủy nhiệt của mẫu với khoáng vật đã biết với mẫu có khoáng vật chưa biết. Tuy nhiên, hành vi phân hủy nhiệt có thể thay đổi tùy thuộc vào điều kiện thiết bị như áp suất và các thuộc tính của mẫu như kích thước hạt. Những thiết bị trên Sao Hỏa cho đến nay đã sử dụng áp suất và lưu lượng thấp hơn nhiều so với các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm truyền thống. Mục tiêu của nghiên cứu này là điều tra xem liệu một mô hình phân tích dựa trên nhiệt động lực học cân bằng có thể dự đoán chính xác sự thay đổi nhiệt độ phân hủy trong các thiết bị hoạt động dưới các điều kiện áp suất/lưu lượng thấp. Chúng tôi phát hiện rằng trong khi mô hình dự đoán xu hướng chung rằng nhiệt độ phân hủy giảm khi áp suất giảm, sự khác biệt giữa nhiệt độ mô hình và nhiệt độ đo thực tế có thể lên tới 100°C đối với cacbonat và sulfat. Những sự khác biệt này có thể được giải thích bởi các yếu tố như kích thước hạt mẫu, loài khí mang, lưu lượng khí và thể tích lò. Một mẫu cacbonat canxi cho thấy kích thước hạt có thể thay đổi nhiệt độ phân hủy lên tới gần 200°C (nhiệt độ phân hủy giảm khi kích thước hạt giảm) và rằng loài khí mang, lưu lượng và hình học thiết bị có thể ảnh hưởng tới nhiệt độ phân hủy từ 20-50°C. Những kết quả này cho thấy việc dự đoán sự thay đổi nhiệt độ phân hủy dựa trên mô hình nhiệt động lực học hoặc mô hình thực nghiệm là không đủ, và rằng các mẫu phải được thực hiện dưới các điều kiện thiết bị có liên quan đến thiết bị đã tạo ra dữ liệu trên Sao Hỏa. Hơn nữa, các tác động của kích thước hạt, loài khí mang và lưu lượng, cũng như hình học thiết bị phải được xem xét để so sánh dữ liệu từ Sao Hỏa với các mẫu được thực hiện trong các phòng thí nghiệm trên trái đất. Nghiên cứu này chứng minh độ lớn của những yếu tố này, cho thấy lý do tại sao chúng phải được xem xét, cung cấp một khuôn khổ để cách giải thích dữ liệu phân tích nhiệt từ Sao Hỏa một cách chính xác.
Từ khóa
#phân tích nhiệt #Sao Hỏa #nhiệt động lực học #kích thước hạt #cacbonat #sulfatTài liệu tham khảo
Grim RE, Rowland RA: Differential thermal analysis of clay minerals and other hydrous materials. Part 1. Am Mineral 1942, 27: 746–761.
Roy R, Roy DM, Francis EE: New data on thermal decomposition of kaolinite and halloysite. J Am Ceram Soc 1955, 38: 198–205.
Kissinger HE: Reaction kinetics in differential thermal analysis. Anal Chem 1957, 29: 1702–1706. 10.1021/ac60131a045
Kotra RK, Gibson EK, Urbancic MA: Release of volatiles from possible Martian analogs. Icarus 1982, 51: 593–605. 10.1016/0019-1035(82)90148-8
L’Vov BV, Polzik LK, Ugolkov VL: Decomposition kinetics of calcite: a new approach to the old problem. Thermochim Acta 2002, 390: 5–19. 10.1016/S0040-6031(02)00080-1
Mackenzie R, Society M: The differential thermal investigation of clays. London: Mineralogical Society London; 1957.
Kissinger HE: Variation of peak temperature with heating rate in differential thermal analysis. J Res Natl Bur Stand 1956, 57: 217–221. 10.6028/jres.057.026
Salvador AR, Calvo EG, Aparicio CB: Effects of sample weight, particle size, purge gas and crystalline structure on the observed kinetic parameters of calcium carbonate decomposition. Thermochim Acta 1989, 143: 339–345.
Sutter B, Boynton WV, Ming DW, Niles PB, Morris RV, Golden DC, Lauer HV, Fellows C, Hamara DK, Mertzman SA: The detection of carbonate in the martian soil at the Phoenix Landing site: a laboratory investigation and comparison with the Thermal and Evolved Gas Analyzer (TEGA) data. Icarus 2012, 218: 290–296. 10.1016/j.icarus.2011.12.002
Biemann K, Oro JIIIPT, Orgel LE, Nier AO, Anderson DM, Flory D, Diaz AV, Rushneck DR, Simmonds PG: The search for organic substances and inorganic volatile compounds in the surface of Mars. J Geophys Res 1977, 82: 4641–4658. 10.1029/JS082i028p04641
Boynton WV, Ming DW, Kounaves SP, Young SMM, Arvidson RE, Hecht MH, Hoffman J, Niles PB, Hamara DK, Quinn RC, et al.: Evidence for calcium carbonate at the Mars Phoenix landing site. Science 2009, 325: 61–64.
Hecht MH, Kounaves SP, Quinn RC, West SJ, Young SMM, Ming DW, Catling DC, Clark BC, Boynton WV, Hoffman J, et al.: Detection of perchlorate and the soluble chemistry of martian soil at the Phoenix Lander site. Science 2009, 325: 64–67.
Mahaffy PR, Webster CR, Cabane M, Conrad PG, Coll P, Atreya SK, Arvey R, Barciniak M, Benna M, Bleacher L, et al.: The sample analysis at Mars investigation and instrument suite. Space Science Reviews 2012, 1–78.
Grant JA, Golombek MP, Grotzinger JP, Wilson SA, Watkins MM, Vasavada AR, Griffes JL, Parker TJ: The science process for selecting the landing site for the 2011 Mars Science Laboratory. Planet Space Sci 2011, 59: 1114–1127. 10.1016/j.pss.2010.06.016
Morris RV, Lauer HV Jr, Lawson CA, Gibson EK Jr, Nace GA, Stewart C: Spectral and other physicochemical properties of submicron powders of Hematite (α-Fe2O3), Maghemite (γ-Fe2O3), Magnetite (Fe3O4), Goethite (α-FeOOH), and Lepidocrocite (γ-FeOOH). J Geophys Res 1985, 90: 3126–3144. 10.1029/JB090iB04p03126
Volante M, Fubini B, Giamello E, Bolis V: Reactivity induced by grinding in silicon nitride. J Mater Sci Lett 1989, 8: 1076–1078. 10.1007/BF01730492
Benezet JC, Benhassaine A: Grinding and pozzolanic reactivity of quartz powders. Powder Tech 1999, 105: 167–171. 10.1016/S0032-5910(99)00133-3
Criado JM, Ortega A: A study of the influence of particle size on the thermal decomposition of CaCO3 by means of constant rate thermal analysis. Thermochim Acta 1992, 195: 163–167.
Criado JM, González M, Macías M: Influence of CO2 pressure on the kinetics of thermal decomposition of PbCO3. Thermochim Acta 1987, 113: 39–47.
Escardino A, Garcia-Ten J, Feliu C: Kinetic study of calcite particle (powder) thermal decomposition: part I. J Eur Ceram Soc 2008, 28: 3011–3020. 10.1016/j.jeurceramsoc.2008.05.017
Maciejewski M, Baiker A: Quantitative calibration of mass spectrometric signals measured in coupled TA-MS system. Thermochim Acta 1997, 295: 95–105. 10.1016/S0040-6031(97)00100-7
Haynes WM: Handbook of Chemistry and Physics. 92nd edition. Boca Raton, FL: CRC Press; 2011. accessed November 2012
Beruto D, Searcy AW: Use of the Langmuir method for kinetic studies of decomposition reactions: calcite (CaCO3). J Chem Soc Faraday Trans 1 Phys Chem Condens Phases 1974, 70: 2145–2153.
Hyatt EP, Cutler IB, Wadsworth ME: Calcium carbonate decomposition in carbon dioxide atmosphere. J Am Ceram Soc 1958, 41: 70–74. 10.1111/j.1151-2916.1958.tb13521.x
Murchie S, Arvidson R, Bedini P, Beisser K, Bibring JP, Bishop J, Boldt J, Cavender P, Choo T, Clancy RT, et al.: Compact reconnaissance imaging spectrometer for Mars (CRISM) on Mars Reconnaissance Orbiter (MRO). J Geophys Res 2007, 112: E05S03.
Brown AJ, Hook SJ, Baldridge AM, Crowley JK, Bridges NT, Thomson BJ, Marion GM, de Souza Filho CR, Bishop JL: Hydrothermal formation of Clay-Carbonate alteration assemblages in the Nili Fossae region of Mars. Earth Planet Sci Lett 2010, 297: 174–182. 10.1016/j.epsl.2010.06.018
Vincendon M, Mustard J, Forget F, Kreslavsky M, Spiga A, Murchie S, Bibring J-P: Near-tropical subsurface ice on Mars. Geophys Res Lett 2010., 37: L01202
McKeown NK, Bishop JL, Noe Dobrea EZ, Ehlmann BL, Parente M, Mustard JF, Murchie SL, Swayze GA, Bibring J-P, Silver EA: Characterization of phyllosilicates observed in the central Mawrth Vallis region, Mars, their potential formational processes, and implications for past climate. J Geophys Res 2009, 114: E00D10.
Blake DF, Vaniman DT, Anderson R, Bish D, Chipera S, Chemtob S, Crisp J, Desmarais DJ, Downs R, Farmer J, et al.: The CheMin Mineralogical Instrument on the Mars science laboratory mission. In 40th Lunar and Planetary Science Conference. TX: The Woodlands; 2009:1484. March 23–27, 2009 Abstract