Pendahuluan
Miliaran pon karpet dihasilkan setiap tahun di seluruh dunia, large persentase di antaranya berakhir di tempat pembuangan akhir, yang menjadi masalah karena nilon tidak dapat terurai secara hayati. Keterbatasan kapasitas TPA dan dampak lingkungan dari pembuangan limbah karpet dengan cara ini telah membuat pemulihan nilon dari limbah karpet menjadi usaha yang semakin penting.
Karena komposisi karpet bervariasi dan dapat mengandung Nylon-6 dan/atau Nylon-6,6 bersama dengan berbagai bahan lainnya, seperti serat polimer lainnya (misalnya PP, PE, poliester), perekat lateks, pewarna, dan bahan pengisi anorganik (misalnya, CaCO3 dan BaSO4),1 karakterisasi komposisi sampah karpet dan profil Reaksi penguraianReaksi penguraian adalah reaksi yang diinduksi secara termal dari senyawa kimia yang membentuk produk padat dan/atau gas. penguraian termalnya sangat penting untuk proses daur ulang. Analisis termogravimetri (TGA) yang digabungkan dengan analisis gas yang berevolusi (EGA) dengan FT-IR, MS, atau GC-MS memungkinkan analisis simultan dari profil kehilangan massa termal material dan identifikasi spesies gas yang berevolusi selama Reaksi penguraianReaksi penguraian adalah reaksi yang diinduksi secara termal dari senyawa kimia yang membentuk produk padat dan/atau gas. penguraian.
Dalam penelitian ini, bahan yang diperoleh dari limbah karpet dianalisis dengan TGA-FT-IR, TGA-MS, dan TGA-GC-MS untuk membandingkan kemampuan ketiga metode gabungan analisis termal/analisis gas yang berevolusi untuk mengidentifikasi komposisi karpet daur ulang.
1C. Mihut, D. K. Kapten, F. Gadala-Maria, dan M.D. Amiridis. "Review: Daur Ulang Nilon dari Limbah Karpet", Polymer Eng. Sci., Vol. 41(9), pp. 1457-1470, 2001
Eksperimental
TGA-FT-IR dan TGA-MS dilakukan dengan menggunakan NETZSCH TG 209 F1 Libra® penganalisis termogravimetri (TGA) yang dipasangkan dengan spektrometer FT-IR BRUKER Optics TENSOR ™ dan spektrometer massa kuadrupol NETZSCH QMS 403 Aëolos® (Gambar 1). Untuk pengukuran TGA-GC-MS, NETZSCH TG 209 F1 Libra® digabungkan ke kromatografi gas Agilent Technologies 7890A yang dilengkapi dengan spektrometer massa kuadrupol Agilent 5975C (QMS) (Gambar 2).
Sampel karpet daur ulang dipanaskan dalam thermobalance dari 25 hingga 600°C pada 10 K/menit di bawah nitrogen (40 ml/menit; TGA-FT-IR dan TGA-MS) atau helium (65 ml/menit; TGA-GC-MS). Gas yang berevolusi dialirkan dari termobalance ke instrumen analisis EGA melalui jalur transfer yang dipanaskan pada suhu 220°C untuk penggabungan FT-IR dan MS atau 300°C untuk penggabungan GC-MS. Untuk analisis GC-MS, gas-gas tersebut disampel setiap empat menit dan disuntikkan ke dalam kolom Agilent HP-5MS yang dipegang pada suhu 150°C dan dielusi dengan aliran gas helium 2 ml/menit. Untuk pengukuran FT-IR dan MS, gas-gas tersebut dimasukkan secara kontinu ke dalam sel gas IR yang disimpan pada suhu 200°C atau langsung ke dalam penganalisis MS.
Hasil dan Pembahasan
TGA-FT-IR
Kurva kehilangan massa (TGA) dan laju kehilangan massa (DTG) diplot pada Gambar 3 bersama dengan kurva untuk total serapan IR terintegrasi (Gram Schmidt) dan intensitas terintegrasi dari pita peregangan asimetrisCO2. Satu langkah kehilangan massa diamati yang memuncak pada suhu 436,6°C. Puncak pada kurva DTG danCO2 hampir bersamaan, diikuti oleh puncak pada kurva Gram Schmidt. Juga ditunjukkan endoterm peleburan pada 220°C yang ditentukan dengan analisis NETZSCH yang telah dipatenkan c-DTA®.
Plot 3 dimensi dari spektrum FT-IR dari gas-gas yang berevolusi selama durasi dekomposisi termal ditunjukkan pada Gambar 4. Spektrum yang diekstraksi secara individual dibandingkan dengan database spektrum IR untuk mengidentifikasi spesies yang berevolusi pada suhu yang berbeda selama dekomposisi termal. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, spektrum FT-IR gas yang berevolusi pada suhu 460°C konsisten dengan spektrum Nylon-6,6 (PA66) dan Nylon-6 (PA6).
TGA-MS
EvolusiCO2 diidentifikasi dengan analisis MS, tetapi spesies organik tidak diidentifikasi dengan yakin dengan mencari spektrum massa yang diekstraksi dari akuisisi di perpustakaan spektrum massa NIST. Namun demikian, puncak pada arus ion (Gambar 6) untuk nomor massa 15, 41, dan 55, konsisten dengan Nylon-6, dan puncak pada arus ion untuk nomor massa 17 dan 54 konsisten dengan Nylon-6.6. Arus untuk massa ion 27, 30, dan 44 juga ditampilkan. Ini juga menunjukkan puncak selama Reaksi penguraianReaksi penguraian adalah reaksi yang diinduksi secara termal dari senyawa kimia yang membentuk produk padat dan/atau gas. penguraian, tetapi ion produknya sama untuk kedua polimer. Tidak ada puncak yang diamati pada arus ion untuk massa 113 (kaprolakton) atau 84 (siklopentanon); namun, ion-ion ini tidak diharapkan dengan analisis spektrometri massa tumbukan elektron (EIMS).2
Analisis TGA-GC-MS
Analisis TGA-GC-MS dilakukan dalam mode quasi kontinu dengan mengambil sampel gas yang berevolusi selama PirolisisPirolisis adalah penguraian termal senyawa organik dalam atmosfer inert.pirolisis sampel setiap empat menit. Gambar 7 menampilkan hamparan kromatogram ion total (TIC) dari pengukuran GC-MS dengan kurva kehilangan massa termal. Gambar 8 menunjukkan tampilan TIC yang diperluas dengan identifikasi puncak yang ditentukan dari pencarian pustaka dari spektrum massa yang diekstraksi. Caprolactam, produk dekomposisi utama dari Nylon-6, adalah komponen utama dari gas yang berevolusi. Komponen ini mulai muncul dalam sampel gas pada suhu sekitar 400°C dan terus muncul dalam bentuk pulsa hingga sekitar 500°C. KemunculanCO2 dalam sampel gas antara 400°C dan 480°C juga konsisten dengan temuan TGA-FT-IR dan TGA-MS. Pemisahan kromatografi dari komponen gas selama analisis GC-MS memungkinkan identifikasi berbagai spesies organik lain yang tidak teridentifikasi oleh analisis FTIR atau MS (Gambar 9). Siklopentanon adalah produk dekomposisi termal yang paling khas dari Nylon-6,6.3
Kesimpulan
Setiap metode analisis gas yang berkembang memiliki kekuatan dan kelemahan spesifik yang biasanya cocok untuk aplikasi tertentu. GC-MS umumnya merupakan metode yang paling informatif dari ketiga metode tersebut karena pemisahan kromatografi komponen gas, yang memungkinkan identifikasi masing-masing. Dalam penelitian ini, GC-MS menawarkan identifikasi kaprolaktam yang paling jelas, yang mengonfirmasi bahwa bahan tersebut terutama terdiri dari Nylon-6. GC-MS juga mengidentifikasi produk siklopentanon dan nitril yang lebih merupakan karakteristik Nylon-6,6. Berbagai spesies organik siklik lainnya, yang mungkin merupakan produk Nylon-6,6, diidentifikasi untuk pertama kalinya dalam penelitian ini. Hasil EIMS (spektrometri massa tumbukan elektron) dan FT-IR mengkonfirmasi keberadaan kedua polimer nilon dalam bahan karpet daur ulang. Karakteristik massa ion molekul dari Nylon-6 dan Nylon-6,6 diidentifikasi oleh EIMS. Meskipun FT-IR mengidentifikasi kedua polimer sebagai komponen potensial dari bahan, karena kesamaan antara spektrum, metode analisis gas yang dikembangkan ini adalah yang paling tidak pasti sehubungan dengan polimer nilon tertentu yang sebenarnya ada.
Seperti yang ditunjukkan dalam penelitian ini, analisis termogravimetri yang digabungkan dengan metode analisis gas yang berevolusi (TGA-EGA) merupakan alat analisis yang informatif dan hemat waktu yang berguna tidak hanya untuk secara bersamaan menentukan profil dekomposisi termal dan komposisi kimia bahan, tetapi juga untuk menjelaskan proses kimia yang bertanggung jawab atas kehilangan massa termal dengan mengidentifikasi spesies gas yang berevolusi yang sesuai.