熱裂解—應(yīng)用范圍極廣的“變廢為寶”環(huán)保技術(shù)

文/張曉輝

熱裂解技術(shù)是世界上高分子質(zhì)能研究的前沿技術(shù)之一 // 該技術(shù)能以連續(xù)的工藝和工廠化的生產(chǎn)方式將高分子聚合物轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)的易儲存、易運輸、能量密度高且使用方便的油、可燃氣、炭黑、鋼絲等高附加值能源產(chǎn)品。

現(xiàn)代有機儀器分析中，氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC/MS）和液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（LC/MS）是特別有代表性的兩種分析儀器，可以滿足大部分的分析需求。但是，仍有很大比例的有機物不適合直接用這些儀器進行檢測，主要包括結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，極性強，不揮發(fā)的天然聚合物，例如：完整的細菌，真菌微生物，腐殖質(zhì)，石油中的聚合物組份，纖維素等。人工合成聚合物也有同樣的問題。對這些樣品需要先使用降解技術(shù)將其分子破碎后再進行檢測。

熱裂解所需要的溫度取決于樣品本身

降解技術(shù)有多種，包括化學(xué)的方法（如水解，氧化，還原等）和物理的方法（如光解，熱裂解和輻射分解等）。其中，裂解法有特殊優(yōu)勢：可以有效分解大分子，并且容易與分析儀器（特別是氣相色譜和質(zhì)譜）連接成一個完整的系統(tǒng)。

熱裂解過程通過加熱過程將樣品從一種物質(zhì)轉(zhuǎn)化成了另一種或多種物質(zhì)。熱裂解的英文pyrolysis中的pyr詞根即是火的意思。裂解產(chǎn)物形成的色譜/質(zhì)譜峰具有特征性，即一種樣品的裂解譜圖反映了原始樣品的分析結(jié)構(gòu)特征，并且與其他樣品不同。這就讓熱裂解譜圖可以用來反向查找出原始的樣品分子結(jié)構(gòu)。

圖1 熱裂解裝置

樣品熱裂解所需要的溫度取決于樣品本身，一種熱裂解裝置如圖1所示。高溫加熱元件將樣品溫度按預(yù)定溫度程序升到裂解溫度，可高達1000 ℃以上。樣品裂解產(chǎn)物由于分子量明顯減小，通?？呻S載氣進入GC/MS。當(dāng)需要聚焦時，還可以先將裂解產(chǎn)物吸附于一根吸附阱上，再進行熱解吸進樣。

熱裂解的應(yīng)用范圍之廣

熱裂解-氣相色譜/質(zhì)譜（Py-GC/MS）的應(yīng)用非常廣，從地球上到太空中都用得到。例如：美國CDS公司曾與美國國家航空航天局（NASA）JPL實驗室合作將熱裂解技術(shù)用于火星現(xiàn)場樣品分析系統(tǒng)（Sample Analysis at Mars, SAM）。其中熱裂解裝置的裂解溫度可以從室溫升到1100 ℃，是SAM系統(tǒng)的主要分析手段。一般在溫度升高初期從樣品中釋放水合水。由于熱解吸和大分子有機物的分解，中等揮發(fā)性有機物在300 ℃至600℃區(qū)域釋放。在較高的溫度下，由于難熔有機物的進一步熱解和礦物質(zhì)的分解而產(chǎn)生氣體，例如：碳酸鹽和硫酸鹽分別在高于500 ℃的溫度下分別熱解離成二氧化碳和二氧化硫。礦物質(zhì)降解溫度可用作判斷礦物類型的指標。除了對放出的氣體進行直接分析之外，SAM中還有一個選項可以將氣體流過表面積的吸附劑以捕獲有機分子，從而將有機物與無機揮發(fā)物分離，以便隨后通過GCMS進行分析。

熱裂解在繪畫藝術(shù)品領(lǐng)域也非常有用，曾用來鑒別油畫真?zhèn)巍ｋm然熱裂解會破壞樣品，但只需要很小的量即可，通常不到1 mg。有報道，在一些聲稱是十七世紀畫家Pieter De Hooghs和Vermeer的畫作上通過Py-GC/MS得到了只有現(xiàn)代合成樹脂才會產(chǎn)生的熱裂解譜圖，這就指示出這些繪畫可能是贗品。

熱裂解還有一項非常實用的用途，就是鑒定汽車漆來源。每家汽車廠商對每個車型用的車漆都不大相同。如果得到許多典型車型的車漆熱裂解譜圖，并建立譜圖庫，就可以用來檢測實際樣品再反向檢索汽車車型。在許多事故或犯罪現(xiàn)場，車輛撞擊或刮傷后會留下車漆痕跡或表層碎片。警方取得這些樣品后用Py-GC/MS得出熱裂解譜圖，即可很快鎖定逃逸車型，從而迅速縮小調(diào)查范圍。

熱裂解的用途遠不止于此，各種日常用品和消費品，例如：煙草、皮革制品、塑料制品、紙張、筆跡等等都可作為樣品進行熱裂解分析。熱裂解技術(shù)已有幾十年的歷史，作為GC/MS系統(tǒng)樣品導(dǎo)入技術(shù)中的一種重要手段，市場上的產(chǎn)品也仍在不斷推陳出新。