概要
要点
熱分析における水蒸気と相対湿度の違い
水は沸点以上に加熱されると、物理的な状態が液体から気体に変化する。そして（水）蒸気として存在する。この蒸気が反応室や装置に導入される場合、水蒸気アプリケーションと呼ばれる。
対照的に、どの気体も一定の温度で一定量の水分を輸送し、含むことができる。これは湿度として知られている。空気を例にとると、水の沸点以下であっても、空気中には常に一定量の水が含まれていることがわかる。 相対湿度を相対湿度といいます。
相対湿度とは対照的に、圧力に依存する沸点（海抜100℃）以上の水は、水蒸気の形で気体相でのみ存在する。水蒸気発生装置で発生した水蒸気を、空気、窒素、ヘリウムなどのキャリアガスと混合することにより、当社の分析装置ではサンプルガス中の水蒸気濃度（vol%、wt%、ppm）を可変的に調整することができます。
さらに、装置内のガス雰囲気は、用途に応じて静的または動的とすることができる。動的水蒸気雰囲気の典型的な試験には、試料の等温加熱と、それに続く規定濃度の水蒸気の注入による反応の開始が含まれる。これには、例えば、吸着、脱着、還元、酸化、転化測定が含まれる。
熱分析では、水蒸気発生器は通常、TGAやSTAのような熱天秤と組み合わせて 使用される。 STA(高圧領域）および ディラトメーター が使用される。
水蒸気雰囲気における圧力依存測定
濃度と温度に加え、大気の圧力レベルも実験に大きな影響を与えるため、制御することができる。高い圧力レベルは、石炭やバイオマスのガス化など、反応の平衡条件を変化させるのに特に興味深く、当社の高圧STAアナライザーで調べることができます。しかし、圧力レベルが上がると、新たな境界条件も考慮しなければなりません。例えば、沸点はいわゆる臨界点に達するまで、圧力レベルが上昇するにつれて高温側にシフトします。
一方、気体水の最大圧力レベルは飽和蒸気圧曲線によって定義される。圧力が高くなりすぎると、水は凝縮する。温度や圧力が臨界点を超えると、液体の水の密度は気体の水の密度と同じくらいになり、もはや凝縮することができなくなる。これは超臨界状態（過熱水蒸気など）と呼ばれる。
100 °C以上の温度でオーブン内をH2O雰囲気にするには、水蒸気発生装置を当社のシステムと組み合わせて使用する必要があります。水蒸気発生装置は、残留水蒸気が他のパージガスと混合することなく水を気化させるため、試料を100% H2O雰囲気にすることができます。しかし、MFCを使用して乾燥ガスを加えることで希釈することもできます。混合物は、乾燥キャリアガス中の水蒸気の可変濃度（vol％、wt％またはppm）として指定されます。
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アプリケーション
石炭やバイオマスのガス化試験は、高温高圧下での水蒸気利用の典型的な例である。 例示したのは典型的な木炭のガス化実験である。木炭試料は窒素雰囲気下、50 barの圧力で等温プラトーまで加熱された（高圧TGA-熱天秤）。マスシグナルは20分から40分の間に揮発性成分が失われたことを示している。水蒸気の添加後、石炭はガス化され、150分後にはほぼ完全に消費され、赤色の質量減少曲線に示すように、H2、CO、CH3OHおよびその他の有用な反応性ガスが生成された。プロセス全体を説明すると以下のようになる：炭素は水蒸気と反応し、一酸化炭素と水素の混合物を形成する。得られた一酸化炭素は、2つ目の水分子と反応して二酸化炭素と追加の水素を形成し、最後に得られた水素が一酸化炭素からメタンやその他の炭化水素を形成する。
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