| Published: 

دراسة الغازات المتطايرة من احتراق الملعب باستخدام تقنية TGA-FT-IR

مقدمة

يُستخدم الزفت، وهو مادة كربونية معقدة مشتقة من تقطير المواد العضوية مثل قطران الفحم أو البترول، على نطاق واسع في صناعات تتراوح بين علم المعادن وإنتاج ألياف الكربون. يعد فهم الاستقرار الحراري وسلوك التحلل الحراري للزفت أمرًا بالغ الأهمية، حيث تؤثر هذه الخصائص بشكل مباشر على أدائه في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية، مثل تصنيع المواد والمركبات القائمة على الكربون.

شروط القياس

في هذه الدراسة، نستكشف في هذه الدراسة الاستقرار الحراري لعينات الزفت ونجري تحليلًا تفصيليًا للغازات لفهم مسارات التحلل وطبيعة الأنواع المتطايرة المنبعثة بشكل أفضل. ومن خلال هذه التحليلات، نهدف إلى توضيح السلوك الحراري للزفت، مما يوفر بيانات قيمة يمكن أن تفيد في تطوير مواد جديدة وتحسين العمليات الصناعية الحالية.

تم إجراء القياس باستخدام نظام NETZSCH PERSEUS® STA Jupiter®. معلمات القياس مفصلة في الجدول 1.

الجدول 1: معلمات القياس

وضع العينةTG-FT-الأشعة تحت الحمراء
معدل التسخين10 كلفن/دقيقة
كتلة العينة77.19 مجم في بوتقة بحجم 0.3 مل من Al2O3
برنامج درجة الحرارةRT - 1000 درجة مئوية
جو غاز التطهير14% أكسجين في النيتروجين
كمية غاز التطهير70 مل/دقيقة
نطاق القياس الطيفي4400 - 650 سم-1
الدقة4 سم-1

النتائج والمناقشة

من منحنيات TGA وDTG، وجد أن هناك أربع خطوات لفقدان الكتلة في عينة الزفت؛ انظر الشكل 1. تم اكتشاف الخطوة الأولى لفقدان الكتلة بين درجة حرارة RT و400 درجة مئوية مع تغير في الكتلة بنسبة 11.1%. وحدثت الخطوة الثانية بين 400 درجة مئوية و450 درجة مئوية مع تغير في الكتلة بنسبة 35.5%. أسفرت الخطوة الثالثة لفقدان الكتلة بين 450 درجة مئوية و500 درجة مئوية عن تغير في الكتلة بنسبة 21.8%. ولوحظت الخطوة الرابعة بين 500 درجة مئوية و1000 درجة مئوية مع تغير في الكتلة بنسبة 31.3%. وبلغت الكتلة المتبقية 0.2%. منحنى DTG هو مشتق من الدرجة الأولى لمنحنى TGA، والذي يعكس معدل فقدان الكتلة. تحدث ذروة درجات حرارة DTG لهذه التغيرات الأربعة في الكتلة عند 386 درجة مئوية و439 درجة مئوية و455 درجة مئوية و555 درجة مئوية.

1) التغير في الكتلة المعتمد على درجة الحرارة (TGA، أخضر)، ومعدل تغير الكتلة (DTG، أزرق)، ومنحنى غرام شميدت (أسود، متقطع).

ويعرض منحنى جرام شميدت الشدة الكلية للأشعة تحت الحمراء ويتصرف كصورة معكوسة لمعدل فقدان الكتلة (DTG). كما يُظهر أيضًا أقصى كثافة خلال خطوات فقدان الكتلة. وهذا يثبت تفاعل الغازات المتطورة مع شعاع الأشعة تحت الحمراء.

ويوضح الشكل 2 رسمًا بيانيًا ثلاثي الأبعاد للغاز المتطور من اختبار اقتران TGA-FT-الأشعة تحت الحمراء للزفت تحت جو هوائي بين درجة حرارة RT و1000 درجة مئوية. في برنامج OPUS لجهاز FT-IR، يمكن تدوير هذا العرض المكعب للقياس في جميع الاتجاهات للحصول على عرض دقيق للغازات المسجلة المنبعثة.

2) رسم بياني ثلاثي الأبعاد لجميع أطياف الأشعة تحت الحمراء المكتشفة لعينة الزفت؛ منحنى TGA مرسوم باللون الأحمر في الجزء الخلفي من المكعب.

ويمكن أن نفترض من أطياف الأشعة تحت الحمراء في الشكل 3 أن النواتج الغازية للزفت عند درجة حرارة 400 درجة مئوية إلى 500 درجة مئوية تشمل بشكل رئيسي إطلاق الميثان CH4وثاني أكسيد الكربون CO2 وثاني أكسيد الكربون H2O. ويمكن أيضًا رصد آثار الميثانول والإيثين والألدهيدات (اهتزازات كبيرة بالأشعة تحت الحمراء بين 1600 و1800 سم-1) والهيدروكربونات (اهتزازات كبيرة بالأشعة تحت الحمراء بين 2700 و3000 سم-1). بالطبع، يتم إطلاق المركبات العطرية أيضًا. ومع ذلك، لم يتم تحديدها هنا. وهذا يشير إلى أنه يتم إطلاق العديد من المواد الأليفاتية والعطرية في نفس الوقت. من المحتمل أن تكون المنتجات المتبقية منزوعة الهيدروجين ومبلمرة إلى جزيئات كبيرة طويلة السلسلة، والتي تنتمي إلى مرحلة التكسير الحراري الهوائي لمواد رابطة الأسفلت [1].

3) (أ) الجزء العلوي: أطياف الأشعة تحت الحمراء لعينة الزفت عند 399 درجة مئوية (أزرق)، و455 درجة مئوية (أحمر) و575 درجة مئوية (أخضر)؛ (ب) الجزء السفلي: أطياف مكتبة ثاني أكسيد الكربون (أخضر)، وثاني أكسيد الكربون (أحمر)، والميثان (وردي)، وثاني أكسيد الكبريت (أسود)، والميثانول (برتقالي)، والماء (أزرق)، والإيثيلين (أرجواني).

عند 500 درجة مئوية إلى 700 درجة مئوية، يُفترض أن تكون مرحلة احتراق الزفت بالاقتران مع نتائج التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء في الشكل 3. بالمقارنة مع 300 درجة مئوية إلى 500 درجة مئوية، يمكن أن نجد أن إطلاق الغازات غير العضوية H2O،CO2، CO2، SO2 وثاني أكسيد الكبريت CO2 وثاني أكسيد الكربون CO2 وثاني أكسيد الكربون CO2 وثاني أكسيد الكربون CO2 بشكل ملحوظ، ولكن في الوقت نفسه، انخفض إطلاق المركبات العضوية مثل CH4، الألدهيدات، C-C وC=C بشكل ملحوظ أو حتى اختفى [2]. وهذا يثبت أن تفاعل الأكسدة يهيمن مع زيادة درجة الحرارة.

بدمج أرقام الموجات لمختلف المواد أو المجموعات الوظيفية المختلفة، كان من الممكن الحصول على إطلاق معتمد على درجة الحرارة للمادة أو المجموعة الوظيفية. ويوضح الشكل 4 منحنيات TGA للزفت ومنحنيات تكامل أعداد الموجات لثلاث مواد ومجموعتين وظيفيتين. ويمكن ملاحظة أن الهيدروكربونات والألدهيدات موجودة في الخطوات الثلاث الأولى لخسارة الكتلة، بينما يوجد ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون والماء في جميع خطوات خسارة الكتلة الأربع؛ وعلاوة على ذلك، يظهر ثاني أكسيد الكربون أقصى إطلاق له في خطوة خسارة الكتلة الرابعة.

4) منحنى الملعب TGA واعتماد درجات الحرارة للمواد المختلفة/تكاملات المجموعة الوظيفية المختلفة

الجدول 2: الفواصل الزمنية لأعداد الموجات المتكاملة لمختلف المواد/المجموعات الوظيفية

المواد/المجموعة الوظيفيةنطاق رقم الموجة المتكامل
C-H (الأزرق الداكن)3200 - 2600 سم-1
C=O (أرجواني)1900 - 1600 سم-1
ثاني أكسيد الكربون (أزرق فاتح)2400 - 2250 سم-1
H2O(أسود)4000 - 3800 سم-1
ثاني أكسيد الكربون (زيتي)2200 - 2000 سم-1

الخاتمة

إن تطبيق تقنيات التحليل الحراري بالاقتران مع التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (FT-IR) في هذه الدراسة لمواد الزفت هو تطبيق واسع ومتعمق. يسمح التحليل الحراري للغازات الحرارية بقياس التغير الكتلي للعينة في ظل إجراءات درجة الحرارة المتحكم بها، والتي يمكن أن تكشف عن درجة حرارة التحلل الحراري والمحتوى المتطاير للزفت.

وبالاقتران مع تحليل FT-IR، يمكن أن يحدد كذلك التغيرات في التركيب الجزيئي للزفت عند درجات حرارة مختلفة، مثل تكوين أو كسر المجموعات الوظيفية، وبالتالي توفير تقييم شامل للاستقرار الحراري وآلية التقادم بالإضافة إلى توفير أساس نظري متين ودعم فني متين للبحث المتعمق والتطوير المبتكر لمواد الزفت.

Literature

  1. [1]
    Zhu K, Qin X, Wang Y, et al. تأثير تركيز الأكسجينعلى احتراق مادة الأسفلت الرابطة [J].مجلة الانحلال الحراري التحليلي والتطبيقي، 2021,160:105370-.DOI:10.1016/j.jaap.2021.105370.
  2. [2]
    Xu T, Huang X. دراسة حول آلية احتراقرابطة الأسفلت باستخدام تقنية TG-FTIR [J]. الوقود، 2010,89(9): 2185-2190.