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 العينة | TG-FT-الأشعة تحت الحمراء |
---|---|
معدل التسخين | 10 كلفن/دقيقة |
كتلة العينة | 77.19 مجم في بوتقة بحجم 0.3 مل من Al2O3 |
برنامج درجة الحرارة | RT - 1000 درجة مئوية |
جو غاز التطهير | 14% أكسجين في النيتروجين |
كمية غاز التطهير | 70 مل/دقيقة |
نطاق القياس الطيفي | 4400 - 650 سم-1 |
الدقة | 4 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.

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.

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].

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.

الجدول 2: الفواصل الزمنية لأعداد الموجات المتكاملة لمختلف المواد/المجموعات الوظيفية
المواد/المجموعة الوظيفية | نطاق 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.