توصيف التركيب وملامح التحلل الحراري لعينات السجاد المعاد تدويره بواسطة TGA-FT-IR وTGA-MS وTGA-GC-MS

مقدمة

يتم إنتاج مليارات الجنيهات من السجاد سنويًا في جميع أنحاء العالم، وينتهي المطاف بنسبة كبيرة منها في مدافن النفايات، وهو أمر إشكالي لأن النايلون غير قابل للتحلل الحيوي. وقد أدت محدودية القدرة الاستيعابية لمطامر النفايات والأثر البيئي للتخلص من نفايات السجاد بهذه الطريقة إلى جعل استعادة النايلون من نفايات السجاد مشروعاً متزايد الأهمية.

ونظرًا لأن تركيبات السجاد تختلف ويمكن أن تحتوي على النايلون-6 و/أو النايلون-6،6 إلى جانب مجموعة متنوعة من المواد الأخرى، مثل ألياف البوليمر الأخرى (مثل البولي بروبيلين والبولي إيثيلين والبوليستر) والمادة اللاصقة اللاتكس والأصباغ والمواد المالئة غير العضوية (مثل CaCO3وBaSO4)،1 فإن توصيف تركيبة نفايات السجاد ومظهر التحلل الحراري ضروري لعملية إعادة التدوير. ويتيح تحليل قياس الثيرموغرافيات الحرارية (TGA) مقترنًا بتحليل الغاز المتطور (EGA) بواسطة الأشعة تحت الحمراء FT-IR أو MS أو GC-MS التحليل المتزامن لملف فقدان الكتلة الحرارية للمادة وتحديد الأنواع الغازية التي تطورت أثناء التحلل.

وفي هذه الدراسة، تم تحليل المواد المستعادة من نفايات السجاد بواسطة TGA-FT-IR وTGA-MS وTGA-GC-MS من أجل مقارنة قدرات الطرق الثلاث مجتمعة للتحليل الحراري/التحليل الغازي المتطور لتحديد تركيبة السجاد المعاد تدويره.

1C. ميهوت، ود. ك. ك. ك. كابتن، وف. جادالا ماريا، وم. د. أميريدس. "مراجعة: إعادة تدوير النايلون من نفايات السجاد"، Polymer Eng. Sci., Vol. 41(9), pp. 1457-1470, 2001

تجريبي

TGA-FT-IR and TGA-MS were performed using a NETZSCH TG 209 F1 Libra® thermogravimetric analyzer (TGA) coupled to a BRUKER Optics TENSOR™ FT-IR spectrometer and a NETZSCH QMS 403 Aëolos® quadrupole mass spectrometer (Figure 1). بالنسبة لقياسات TGA-GC-MS، اقترن جهاز NETZSCH TG 209 F1 Libra® بمطياف كروماتوجرافي غازي من شركة Agilent Technologies 7890A مزود بمطياف كتلة رباعي الأقطاب من شركة Agilent 5975C (الشكل 2).

1) جهاز NETZSCH STA 449 F3 Jupiter® مقترنًا في نفس الوقت بمطياف الأشعة تحت الحمراء FT-IR من طراز BRUKER Optics TENSORTM ومطياف الكتلة الرباعي الأقطاب NETZSCH QMS 403 C Aëolos®
(2) جهاز NETZSCH TG 209 F1 Libra® TGA المقترن بجهاز كروماتوجراف الغاز Agilent 7890A المجهز بمطياف الكتلة الرباعي الأقطاب Agilent 5975C (QMS)

وسُخِّنت عينات السجاد المعاد تدويره في الميزان الحراري من 25 إلى 600 درجة مئوية عند 10 كلفن/الدقيقة تحت النيتروجين (40 مل/الدقيقة؛ TGA-FT-IR وTGA-MS) أو الهيليوم (65 مل/الدقيقة؛ TGA-GC-MS). تم تمرير الغازات المتطايرة من الميزان الحراري إلى أداة تحليل EGA عبر خط نقل يتم تسخينه عند درجة حرارة 220 درجة مئوية للاقتران بالأشعة تحت الحمراء بالأشعة تحت الحمراء والأشعة تحت الحمراء والتصلب المتعدد أو 300 درجة مئوية للاقتران بالغازات الغازي-الغازات المتطايرة. بالنسبة لتحليل GC-MS، تم أخذ عينات من الغازات كل أربع دقائق وحقنها في عمود Agilent HP-5MS عند درجة حرارة 150 درجة مئوية وتم استخلاصها بتدفق غاز الهيليوم بمقدار 2 مل/دقيقة. بالنسبة لقياسات FT-IR وMS، تم إدخال الغازات بشكل مستمر في خلية غاز الأشعة تحت الحمراء المثبتة عند درجة حرارة 200 درجة مئوية أو مباشرة في جهاز تحليل MS.

النتائج والمناقشة

TGA-FT-الأشعة تحت الحمراء

رُسمت منحنيات فقدان الكتلة (TGA) ومعدل فقدان الكتلة (DTG) في الشكل 3 إلى جانب منحنيات الامتصاص الكلي المتكامل للأشعة تحت الحمراء (غرام شميدت) والشدة المتكاملة لنطاق التمدد غير المتماثل لثاني أكسيد الكربون. لوحظت خطوة فقدان كتلة واحدة بلغت ذروتها في المعدل عند 436.6 درجة مئوية. تتطابق القمم في منحنيات DTG و CO2 تقريبًا، تليها الذروة في منحنى جرام شميدت. كما يظهر أيضًا ذوبان ذوبان نهائي عند درجة حرارة 220 درجة مئوية تم تحديده باستخدام تحليل c-DTA® الحاصل على براءة اختراع NETZSCH.

3) نتائج تحليل TGA-FT-الأشعة تحت الحمراء (TGA) تظهر منحنيات TGA (الأخضر)، وDTG (الأحمر)، وغرام شميت (الأسود)، وامتصاص ثاني أكسيد الكربون بالأشعة تحت الحمراء (الوردي)، وقمة الذوبان (الأزرق) المحددة باستخدام تقنية c-DTA®

يظهر في الشكل 4 مخطط ثلاثي الأبعاد لأطياف الأشعة تحت الحمراء FT-IR للغازات المتطورة على مدار مدة التحلل الحراري. تمت مقارنة الأطياف المستخرجة الفردية مع قاعدة بيانات أطياف الأشعة تحت الحمراء من أجل تحديد الأنواع التي تطورت عند درجات حرارة مختلفة أثناء التحلل الحراري. وكما هو مبين في الشكل 5، كانت أطياف الأشعة تحت الحمراء FT-IR للغازات المتطايرة عند درجة حرارة 460 درجة مئوية متوافقة مع النايلون 6،6 (PA66) ومع النايلون 6 (PA6).

4) رسم بياني ثلاثي الأبعاد لأطياف الأشعة تحت الحمراء للأشعة تحت الحمراء للأشعة فوق البنفسجية للغاز المتصاعد من الانحلال الحراري للعينة
5) نتائج البحث في قاعدة البيانات عن طيف الأشعة تحت الحمراء للأشعة تحت الحمراء المستخرجة (باللون الأحمر) للغازات المتطايرة عند درجة حرارة 460 درجة مئوية تظهر تطابقًا مع PA66 (باللون الأزرق) و PA6 (باللون الأرجواني)

TGA-MS

تم تحديد تطور ثاني أكسيد الكربون من خلال تحليل MS، ولكن لم يتم تحديد الأنواع العضوية بأي ثقة من خلال البحث في أطياف الكتلة المستخرجة من عملية الاستحواذ في مكتبة NIST الطيفية الكتلية. ومع ذلك، تتوافق القمم في التيارات الأيونية (الشكل 6) لأرقام الكتلة 15 و41 و55 مع النايلون 6، وتتوافق القمم في التيارات الأيونية لأرقام الكتلة 17 و54 مع النايلون 6.6. وتظهر أيضًا تيارات للكتل الأيونية 27 و30 و44. تُظهر هذه أيضًا قممًا أثناء التحلل، لكن الأيونات الناتجة مشتركة بين كلا البوليمرين. لم تُلاحَظ أي قمم في التيار الأيوني للكتلة 113 (الكابرولاكتون) أو 84 (السيكلوبنتانون)؛ ومع ذلك، لا يُتوقع ظهور هذه الأيونات مع تحليل مطياف الكتلة بالتأثير الإلكتروني (EIMS).2

6) تراكب منحنى TGA وتيارات أيونات MS للأرقام الكتلية 15 و17 و30 و41 و42 و44 و54 و55 و84 و97 و113

تحليل TGA-GC-MS

تم إجراء تحليل TGA-GC-MS في وضع شبه متواصل من خلال أخذ عينات من الغازات المتصاعدة أثناء التحلل الحراري للعينة كل أربع دقائق. يعرض الشكل 7 تراكبًا للمخطط اللوني للأيونات الكلية (TIC) من قياس GC-MS مع منحنى فقدان الكتلة الحرارية. ويوضح الشكل 8 عرضًا موسعًا للمخطط اللوني للأيونات الكلية (TIC) مع تحديدات الذروة التي تم تحديدها من عمليات البحث في مكتبة أطياف الكتلة المستخرجة. كان الكابرولاكتام، وهو منتج تحلل أولي للنايلون-6، المكون الرئيسي للغازات المتطورة. وقد بدأ ظهوره في أخذ عينات الغاز حوالي 400 درجة مئوية واستمر في الظهور في نبضات حتى حوالي 500 درجة مئوية. كما كان ظهور ثاني أكسيد الكربون في عينات الغاز بين 400 درجة مئوية و480 درجة مئوية متوافقًا أيضًا مع كل من نتائج TGA-FT-IR وTGA-MS. وسمح الفصل الكروماتوغرافي للمكونات الغازية أثناء تحليل GC-MS بتحديد مجموعة متنوعة من الأنواع العضوية الأخرى التي لم يتم تحديدها بواسطة تحليل FTIR أو MS (الشكل 9). إن السيكلوبنتانون هو منتج التحلل الحراري الأكثر تميزًا للنايلون 6،6.3

7) منحنى TGA (أخضر) ومنحنى TIC (أحمر) من تحليل الغازات المتطايرة في النمط شبه المستمر GC-MS
8) عرض موسع لـ TIC من تحليل GC-MS مع وضع علامات على القمم المحددة
9) نتائج عمليات البحث في المكتبة عن أطياف الكتلة المستخرجة من القمم في GC-MS. الأطياف المستخرجة باللون الأحمر وأطياف المكتبة باللون الأزرق.

الخاتمة

لكل طريقة من طرق تحليل الغازات المتطورة نقاط قوة ونقاط ضعف محددة والتي عادةً ما تلائم كل منها تطبيقات محددة. تعد GC-MS بشكل عام أكثر الطرق الثلاث إفادة من بين الطرق الثلاثة بسبب الفصل الكروماتوغرافي للمكونات الغازية، مما يسمح بتحديدها بشكل فردي. في هذه الدراسة، وفرت تقنية GC-MS أوضح تحديد للكابرولاكتام، مما يؤكد أن المادة تتكون في المقام الأول من النايلون-6. كما حدد أيضًا نواتج السيكلوبنتانون والنيتريل التي تعتبر أكثر خصائص النايلون 6،6. كما تم تحديد مجموعة متنوعة من الأنواع العضوية الحلقية الأخرى، التي ربما تكون نواتج النايلون-6،6 لأول مرة في هذه الدراسة. أكدت نتائج قياس الطيف الكتلي بالتأثير الإلكتروني (EIMS) ونتائج قياس الطيف الكتلي بالتأثير الإلكتروني (FT-IR) وجود كل من بوليمرات النايلون في مادة السجاد المعاد تدويرها. تم تحديد كتل الأيونات الجزيئية المميزة لكل من النايلون-6 والنايلون-6،6 بواسطة مطياف الكتلة بالتأثير الإلكتروني. وعلى الرغم من أن تحليل FT-IR حدد كلا البوليمرين كمكونات محتملة للمادة، إلا أنه نظرًا للتشابه بين الأطياف فإن طريقة تحليل الغازات المتطورة هذه كانت الأقل تحديدًا فيما يتعلق ببوليمر (بوليمرات) النايلون المحددة الموجودة بالفعل.

وكما هو موضح في هذه الدراسة، فإن تحليل قياس الثقل الحراري المقترن بتحليل الغاز المتطور (TGA-EGA) هو أداة تحليلية مفيدة وموفرة للوقت ومفيدة ليس فقط لتحديد خصائص التحلل الحراري والتركيب الكيميائي للمواد في وقت واحد، ولكن أيضًا لتوضيح العمليات الكيميائية المسؤولة عن فقدان الكتلة الحرارية من خلال تحديد أنواع الغازات المتطورة المقابلة.

Related Application Notes