Giriş
Dünya çapında her yıl milyarlarca kilo halı üretilmektedir ve bunların yüzde large 'u çöp sahalarında son bulmaktadır, bu da sorunlu bir durumdur çünkü naylon biyolojik olarak parçalanamaz. Çöp depolama kapasitesindeki sınırlamalar ve halı atıklarının bu şekilde bertaraf edilmesinin çevresel etkileri, halı atıklarından naylon geri kazanımını giderek daha önemli bir girişim haline getirmiştir.
Halı bileşimleri değişkenlik gösterdiğinden ve Naylon-6 ve/veya Naylon-6,6 ile birlikte diğer polimer lifleri (ör. PP, PE, polyester), lateks yapıştırıcı, boyalar ve inorganik dolgu maddeleri (ör. CaCO3 ve BaSO4) gibi çeşitli diğer malzemeleri içerebildiğinden,1 atık halı bileşiminin ve termal Ayrışma reaksiyonuBir ayrışma reaksiyonu, katı ve/veya gaz ürünler oluşturan kimyasal bir bileşiğin termal olarak indüklenen bir reaksiyonudur. ayrışma profilinin karakterizasyonu geri dönüşüm süreci için çok önemlidir. FT-IR, MS veya GC-MS ile evrimleşmiş gaz analizi (EGA) ile birleştirilmiş termogravimetrik analiz (TGA), bir malzemenin termal kütle kaybı profilinin eşzamanlı analizini ve Ayrışma reaksiyonuBir ayrışma reaksiyonu, katı ve/veya gaz ürünler oluşturan kimyasal bir bileşiğin termal olarak indüklenen bir reaksiyonudur. ayrışma sırasında ortaya çıkan gaz türlerinin tanımlanmasını sağlar.
Bu çalışmada, halı atıklarından geri kazanılan malzeme, geri dönüştürülmüş halının bileşimini tanımlamak için üç kombine termal analiz / evrimleşmiş gaz analizi yönteminin yeteneklerini karşılaştırmak amacıyla TGA-FT-IR, TGA-MS ve TGA-GC-MS ile analiz edilmiştir.
1C. Mihut, D. K. Captain, F. Gadala-Maria ve M.D. Amiridis. "İnceleme: Halı Atıklarından Naylonun Geri Dönüşümü", Polymer Eng. Sci., Vol. 41(9), pp. 1457-1470, 2001
Deneysel
TGA-FT-IR ve TGA-MS, bir BRUKER Optics TENSOR™ FT-IR spektrometresi ve bir NETZSCH QMS 403 Aëolos® quadrupole kütle spektrometresi ile birleştirilmiş bir NETZSCH TG 209 F1 Libra® termogravimetrik analizör (TGA) kullanılarak gerçekleştirilmiştir (Şekil 1). TGA-GC-MS ölçümleri için NETZSCH TG 209 F1 Libra® bir Agilent 5975C kuadrupol kütle spektrometresi (QMS) ile donatılmış bir Agilent Technologies 7890A gaz kromatografına bağlanmıştır (Şekil 2).
Geri dönüştürülmüş halı numuneleri termobalansta azot (40 mL/dak; TGA-FT-IR ve TGA-MS) veya helyum (65 ml/dak; TGA-GC-MS) altında 10 K/dak hızla 25 ila 600°C arasında ısıtılmıştır. Evrilen gazlar termobalanstan EGA analiz cihazına FT-IR ve MS bağlantısı için 220°C'de veya GC-MS bağlantısı için 300°C'de ısıtılan bir transfer hattı üzerinden geçirilmiştir. GC-MS analizi için gazlar her dört dakikada bir örneklenmiş ve 150°C'de tutulan ve 2 ml/dak helyum gazı akışıyla elüe edilen bir Agilent HP-5MS kolonuna enjekte edilmiştir. FT-IR ve MS ölçümleri için gazlar sürekli olarak 200°C'de tutulan bir IR gaz hücresine veya doğrudan MS analizörüne verilmiştir.
Sonuçlar ve Tartışma
TGA-FT-IR
Kütle kaybı (TGA) ve kütle kaybı oranı (DTG) eğrileri, toplam entegre IR absorpsiyonu (Gram Schmidt) veCO2 asimetrik germe bandının entegre yoğunluğu için eğrilerle birlikte Şekil 3'te çizilmiştir. Hız olarak 436,6°C'de zirve yapan tek bir kütle kaybı adımı gözlemlenmiştir. DTG veCO2 eğrilerindeki tepe noktaları neredeyse çakışmaktadır ve bunu Gram Schmidt eğrisindeki tepe noktası yakından takip etmektedir. Ayrıca NETZSCH patentli c-DTA® analizi ile belirlenen 220°C'de birErime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime endotermi de gösterilmektedir.
Termal Ayrışma reaksiyonuBir ayrışma reaksiyonu, katı ve/veya gaz ürünler oluşturan kimyasal bir bileşiğin termal olarak indüklenen bir reaksiyonudur. ayrışma süresi boyunca evrimleşen gazların FT-IR spektrumlarının 3 boyutlu bir grafiği Şekil 4'te gösterilmektedir. Termal Ayrışma reaksiyonuBir ayrışma reaksiyonu, katı ve/veya gaz ürünler oluşturan kimyasal bir bileşiğin termal olarak indüklenen bir reaksiyonudur. ayrışma sırasında farklı sıcaklıklarda gelişen türleri tanımlamak için tek tek çıkarılan spektrumlar bir IR spektrumları veritabanı ile karşılaştırılmıştır. Şekil 5'te gösterildiği gibi, 460°C'de ortaya çıkan gazların FT-IR spektrumları Naylon-6,6 (PA66) ve Naylon-6 (PA6) ile tutarlıdır.
TGA-MS
CO2 'nin evrimi MS analizi ile tanımlanmıştır, ancak organik türler NIST kütle spektral library'deki alımdan çıkarılan kütle spektrumları searching ile herhangi bir güvenle tanımlanmamıştır. Bununla birlikte, 15, 41 ve 55 kütle numaraları için iyon akımlarındaki (Şekil 6) pikler Nylon-6 ile tutarlıdır ve 17 ve 54 kütle numaraları için iyon akımlarındaki pikler Nylon-6.6 ile tutarlıdır. İyon kütleleri 27, 30 ve 44 için akımlar da gösterilmiştir. Bunlar da Ayrışma reaksiyonuBir ayrışma reaksiyonu, katı ve/veya gaz ürünler oluşturan kimyasal bir bileşiğin termal olarak indüklenen bir reaksiyonudur. ayrışma sırasında pikler sergiler, ancak ürün iyonları her iki polimer için de ortaktır. Kütle 113 (kaprolakton) veya 84 (siklopentanon) için iyon akımında hiçbir pik gözlenmemiştir; ancak bu iyonlar elektron etkili kütle spektrometrik (EIMS) analizde beklenmemektedir.2
TGA-GC-MS Analizi
TGA-GC-MS analizi, numunenin pirolizi sırasında ortaya çıkan gazların her dört dakikada bir örneklenmesi suretiyle yarı sürekli modda gerçekleştirilmiştir. Şekil 7, termal kütle kaybı eğrisi ile GC-MS ölçümünden elde edilen toplam iyon kromatogramının (TIC) bir üst üste bindirmesini göstermektedir. Şekil 8, çıkarılan kütle spektrumlarının library searches adresinden belirlenen pik tanımlamalarıyla birlikte TIC'nin genişletilmiş bir görünümünü göstermektedir. Naylon-6'nın birincil bozunma ürünü olan kaprolaktam, evrimleşen gazların ana bileşeniydi. Gaz örneklemesinde 400°C civarında görülmeye başlamış ve yaklaşık 500°C'ye kadar atımlar halinde görülmeye devam etmiştir.CO2 'nin 400°C ile 480°C arasındaki gaz örneklerinde ortaya çıkması da hem TGA-FT-IR hem de TGA-MS bulgularıyla tutarlıydı. GC-MS analizi sırasında gaz bileşenlerinin kromatografik olarak ayrılması, FTIR veya MS analizi ile tanımlanamayan çeşitli diğer organik türlerin tanımlanmasına olanak sağlamıştır (Şekil 9). Siklopentanon, Naylon-6,6'nın en karakteristik termal Ayrışma reaksiyonuBir ayrışma reaksiyonu, katı ve/veya gaz ürünler oluşturan kimyasal bir bileşiğin termal olarak indüklenen bir reaksiyonudur. ayrışma ürünüdür.3
Sonuç
Geliştirilen her bir gaz analiz yönteminin, normalde her birini belirli uygulamalara yönlendiren belirli güçlü ve zayıf yönleri vardır. GC-MS, gaz halindeki bileşenlerin kromatografik olarak ayrılması nedeniyle genellikle üç yöntem arasında en bilgilendirici olanıdır ve bunların ayrı ayrı tanımlanmasına olanak tanır. Bu çalışmada, GC-MS kaprolaktamın en net şekilde tanımlanmasını sağlamış ve malzemenin esas olarak Naylon-6'dan oluştuğunu doğrulamıştır. Ayrıca Naylon-6,6'nın daha karakteristik özelliği olan siklopentanon ve nitril ürünlerini de tanımlamıştır. Muhtemelen Naylon-6,6 ürünleri olan çeşitli diğer döngüsel organik türler ilk kez bu çalışmada tanımlanmıştır. EIMS (elektron etkili kütle spektrometresi) ve FT-IR sonuçları, geri dönüştürülmüş halı malzemesinde her iki naylon polimerinin varlığını doğrulamıştır. Hem Naylon-6 hem de Naylon-6,6'nın karakteristik moleküler iyon kütleleri EIMS ile tanımlanmıştır. FT-IR her iki polimeri de malzemenin potansiyel bileşenleri olarak tanımlasa da, spektrumlar arasındaki benzerlikler nedeniyle, bu evrimleşmiş gaz analizi yöntemi, hangi spesifik naylon polimer(ler)in gerçekte mevcut olduğu konusunda en az kesin olan yöntemdi.
Bu çalışmada gösterildiği gibi, evrimleşmiş gaz analizi (TGA-EGA) yöntemleri ile birleştirilmiş termogravimetrik analiz, yalnızca malzemelerin termal bozunma profilini ve kimyasal bileşimini eşzamanlı olarak belirlemek için değil, aynı zamanda karşılık gelen evrimleşmiş gaz türlerini tanımlayarak termal kütle kaybından sorumlu kimyasal süreçleri aydınlatmak için de yararlı olan bilgilendirici ve zaman kazandıran bir analitik araçtır.