تکنیک طیف سنجی رامان برای بررسی تفاوت‌های پلی اتیلن ترفتالات بازیافتی در بطری‌های آب
در اینجا یک استراتژی قابل اعتماد و سریع در تمایز بین بطری‌های آب ساخته شده از پلی اتیلن ترفتالات بازیافتی و بکر با استفاده از طیف سنجی رامان همراه با شیمی آماری توسعه یافته است. مدل‌های شیمی آماری توسط آنالیز تفکیک حداقل مربعات متعامد (OPLS-DA) با استفاده از مجموعه داده رامان در محدوده 600-1800 سانتی‌متر ایجاد شد. مدل مقیاس پارتو زمینه را برای طبقه بندی نمونه‌های پلی اتیلن ترفتالات (PET) بکر و بازیافتی را با موفقیت حدود 95 درصدی فراهم می‌کند. علاوه براین، در اینجا از رگرسیون PLS برای تعیین سطح مواد بازیافتی در بطری‌های آب PET با تناسب خوب (R2=0.8920) استفاده شد. این رویکرد تحلیلی روشی سریع، دقیق و قدرتمند برای تشخیص و تعیین کمیّت ساخت بطری‌های پلاستیکی حاوی مواد پلاستیکی بازیافتی تقلبی به‌منظور جلوگیری از تقلب در بازیافت پلاستیکی است.
پلی اتیلن ترفتالات (PET) یک پلی استر با خواص فیزیکی و شیمیایی عالی است که کاربردهای مختلفی دارد. از دهه 1980، PET به طور گسترده در تولید الیاف پارچه استفاده می‌شود که اخیرا در بسته بندی مواد غذایی و نوشیدنی (69-97 درصد) نیز کاربرد دارد. بطری‌های PET مواد پلاستیکی یکبار مصرفی هستند که به سرعت دور ریخته می‌شوند و حجم قابل توجهی از زباله آنها در ومحیط اقیانوس‌ها ایجاد می‌شود. همانطور که در استانداردهای اقتصاد دورانی کمیسیون اروپا هم آمده است، یکی از روش‌های کارآمد در کاهش مقدار ضایعات PET بازیافت زباله‌های آن است. تحقیق مستمر در سرتاسر جهان در این زمینه به ما این امکان را داده است تا در بازیافت PET پیشرفت چشمگیری داشته باشیم. همچنین می‌توان به ضرورت فرایند بهینه سازی در حین بازیافت اشاره کرد که نکته کلیدی در اطمینان از کیفیت خوب مواد بازیافتی است. ازسوی دیگر، از آنجایی که زباله‌های پلاستیکی ارزان‌تر از پلاستیک بکر هستند، ممکن است از رزین‌های بازیافتی با کیفیت پایین در مواد بسته بندی پلاستیکی استفاده شود. این مواد بازیافتی ممکن است حاوی ناخالصی‌هایی از فرایند بازیافت و مواد قبلی باشد که کیفیت و سطح ایمنی محصول نهایی پلاستیکی را تحت تاثیر قرار می‌دهد. بسته‌های پلاستیکی برای کاربردهای خاص مانند بسته بندی دارو باید به جای مواد پلاستیک بازیافتی از مواد بکر ساخته شوند. روش معتبر خاصی برای تشخیص مواد تقلبی پلاستیکی با کمترین رزین بازیافتی گران قیمت درطول تولید وجود ندارد. همچنین از رویکردهای کروماتوگرافی مبتنی بر کروماتوگرافی فازگاز-گاز-طیف سنجی جرمی (HS-GC-MS)، استخراج به کمک مایکروویو با GC-MS و کروماتوگرافی سیال با عملکرد بالا با طیف سنجی جرمی زمان پرواز متعامد چهار قطبی (UPLC-Q-TOF-MS) با هدف بررسی اختلافات بین پلاستیک‌های بازیافتی و بکر در اینجا استفاده شده است. به همین ترتیب، از ابزارهای تحلیل حرارتی مانند کالریمتری اسکن تفاضلی، وزن‌سنجی حرارتی و تحلیل‌های شاخص جریان مذاب نیز برای تعیین خواص پلیمر حرارتی استفاده شده است که در پلیمرهای بکر و بازیافتی متفاوت است.
این رویکردهای تحلیل زمان‌بر هستند و به روش‌های توسعه سریع، غیرمخرب و تحلیل مستقیم برای شناسایی مواد تقلبی به کار رفته در بطری‌های PET نیاز است. از طرفی، از طیف سنجی مادون قرمز برای تشخیص تفاوت بین انواع مختلف پلاستیک استفاده کردیم. تمایز چند مواد پلیمری به دلیل ویژگی‌های ارتعاشی خاص هر پلیمر امکان پذیر است. اگرچه تفاوت‌های فیزیکی و شیمیایی بین پلیمرهای بکر و بازیافتی تحت تاثیر تفاوت‌های طیفی بسیار جزئی قرار دارند اما مطالعات کمتری اختلاف بین پلاستیک بکر و بازیافتی را با طیف سنجی مادون قرمز مورد بررسی قرار داده‌اند. در همین راستا، طیف سنجی رامان یک تکنیک سریع، کم هزینه و ارتعاشی غیرمخرب است که تا حدودی کشف شده اما به طور بالقوه برای بررسی اختلافات پلاستیک‌های بازیافتی مفید است. علاوه براین، انتظار می‌رود هماهنگی آن با مدل‌های شیمی آماری اختلافات بین مواد پلاستیکی بازیافتی و بکر را براساس تفاوت‌های طیفی جزئی آنها به خوبی کشف کند. در این مطالعه از طیف سنجی رامان برای دستیابی به پیامدهای تحلیل طیفی در ساخت ترکیب متنوع و بکر بطری‌های آب معدنی ساخته شده از PET بازیافتی استفاده کردیم. برای اولین بار، استراتژی مبتنی بر کاربرد یک مدل آماری متکی بر حداقل مربعات جزئی (PLS) در مجموعه داده طیف رامان توانست مقادیر پلاستیک بازیافتی به کار رفته در ترکیب بطری PET را تعیین کند. این ابزار می‌تواند برای شناسایی اثرانگشت مولکولی پلاستیک‌های بکر یا مواد تقلبی در PET بازیافتی توسط سازندگان بطری‌های آب معدنی و کاهش تقلب‌های احتمالی در بازیافت پلاستیک مفید باشد.
کاربرد طیف سنجی رامان در بطری‌های آب PET بازیافتی
اگرچه محصولات تجزیه پذیر ممکن است ازطریق بازیافت PET حاصل شوند، باتوجه به شکل زیر از طیف رامان برای مشخصه یابی در هر دو نمونه‌های بکر و بازیافتی PET استفاده شد.
شکل 1:
همانطور که به طور گسترده در اکثر ادبیات گزارش شده است، این مشخصه‌ها با حالت‌های ارتعاش PET مطابقت دارند و در جدول زیر خلاصه‌ای از آنها ارائه شده است.
جدول 1:
خلاصه، بالاترین مشخصه یابی در 1730 سانتی‌متری به دلیل کشش C=O (استر) مشاهده شد؛ بیشترین باند در 1614 سانتی‌متر به دلیل کشش آروماتیک C=C بود؛ باندهای بین 1450-1400 سانتی‌متر متعلق به ارتعاشات خمشی CH₂ و CH است؛ باندهای محدوده 1300-1000 سانتی‌متر به دلیل کشش C(O)-O و کشش O-C-O بودند، در حالی که باندهای زیر 900 سانتی‌متر با حالت‌های حلقوی بنزن C-C و ارتعاشات خمشی C-H خارج از صفحه مرتبط هستند. نکته مهم اینکه باندهای رامان افزوده شده ازلحاظ بصری در بطری های PET بهتر قابل شناسایی بودند. همان طور که در شکل بالا هم مشخص شد، با این حال، طیف رامان خام در بطری‌های بازیافتی PET بیس لاین بیشتری نسبت به بطری‌های PET بکر نشان دادند؛ به این معنا که بطری‌های بازیافتی بیشتر از بطری‌های بکر به دلیل ترکیب ماتریس‌های مختلف تحت تاثیر فلورسانس هستند.
جمع بندی و کلام آخر
در این مقاله یک روش سریع و غیرمخرب براساس طیف سنجی رامان و شیمی آماری برای بررسی اختلافات بین مواد پلاستیکی بازیافتی PET (در درصدهای مختلف) و بکر به کار رفته در ساخت بطری‌های پلاستیکی ازسوی تولید کنندگان مختلف را توسعه داده‌ایم. علاوه براین، روش به کار رفته در اینجا بدون حلال است و نیازی به آماده سازی نمونه ندارد. اگرچه به تحقیقات بیشتری درمورد فوکوس لیزری، زاویه و جهت تابش و زمان مواجهه در طول تحلیل درون خطی نیاز است، این متدولوژی می‌تواند به احتمال زیاد به خودکار و یکپارچه شدن فرایند تولید پلیمر برای نظارت بر سطوح بازیافت منجر شود. به ویژه اینکه ترکیب طیف‌های رامان و تحلیل شیمی آماری (PCA، OPLS-DA و رگرسیون PLS) در محدوده 600 تا 1800 سانتی‌متر در نمونه‌های PET برای اولین بار مشاهده شد که نشان داد می‌تواند ابزار بسیار مفیدی برای تعیین درصد PET بازیافتی در بطری‌های آب PET نمونه باشد. از این رویکرد تحلیلی جدید می‌توان برای بررسی مواد پلاستیک تقلبی ترکیب شده با مواد بازیافتی استفاده کرد.
