Physicochemical Study of Mineral and Volatile Organic Thermal Decomposition Products of Mixed Fuel Using XRF and GC-MS

Editorial Board PCSS Journal; Ганна Ткачук; Олександр Стремецький; Олег Марчук

doi:10.15330/pcss.27.2.253-262

Автор(и)

Ганна Ткачук Хмельницький національний університетм. Хмельницький, Україна
Олександр Стремецький Хмельницький національний університетм. Хмельницький, Україна
Олег Марчук Національний університет імені Лесі Українки, м. Луцьк, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.27.2.253-262

Ключові слова:

рентгенофлуоресцентний аналіз (РФА), хромато-мас-спектрометрія (ГХ-МС), термодеструкція змішаного палива, мінеральна фаза, попіл, важкі метали, сажа, органічні маркери, поліциклічні ароматичні вуглеводні (ПАВ), антропогенні маркери

Анотація

У статті представлені результати фізико-хімічного дослідження продуктів термічного розкладу змішаного палива з використанням комплексного підходу, що поєднує рентгенофлуоресцентний (РФ) аналіз та газову хроматографію-мас-спектрометрію (ГХ-МС). Актуальність дослідження визначається необхідністю розробки надійних критеріїв для визначення складу паливної сировини для екологічного моніторингу та пожежно-технічної експертизи. Метою роботи було виявлення специфічних мінеральних та органічних маркерів у сажі та попелі для встановлення природи згорілих матеріалів. Для аналізу було використано найсучасніше обладнання, що забезпечує високу точність кількісного визначення елементного складу та ідентифікації летких органічних сполук. Дослідження показало, що мінеральна фаза продуктів згоряння відображає наявність антропогенних забруднювачів у паливі. Зокрема, у зразках, що містять тверді побутові відходи та полімери, було виявлено значні концентрації цинку та свинцю разом із сіркою, що утворилися внаслідок деградації неорганічних пігментів та стабілізаторів. ГХ-МС аналіз дозволив ідентифікувати маркери розкладу біомаси, такі як левоглюкозан та метоксифеноли, а також виявити дибутилфталат та важкі поліциклічні ароматичні вуглеводні (ПАВ), що свідчить про глибокі хімічні перетворення синтетичних ланцюгів у високотемпературній зоні. Дослідження міжфазних взаємодій підтвердило складний характер стабілізації органічних сполук мінеральною матрицею. Було виявлено, що зольні компоненти діють як центри адсорбції для важких аліфатичних вуглеводнів та силоксанів, запобігаючи їх повному термічному розкладу. Співвідношення інтенсивності піків ПАВ з різним ступенем конденсації вказують на каталітичну роль оксидів металів у процесах вторинної ароматизації. Отримані результати підтверджують, що запропонований фізико-хімічний підхід є ефективним інструментом для діагностики складу спалюваної сировини, що дозволяє виявляти незаконне використання шкідливих добавок та встановлювати джерела антропогенного впливу на навколишнє середовище.

Посилання

W.F. Rogge, L.M. Hildemann, M.A. Mazurek, G.R. Cass, B.R.T. Simoneit, Sources of Fine Organic Aerosol: Pine, Oak, and Synthetic Log Combustion in Residential Fireplaces, Environmental Science & Technology, 32(1), 13 (1998); https://doi.org/10.1021/es960930b.

P.M. Fine, G.R. Cass, B.R.T. Simoneit Chemical Characterization of Fine Particle Emissions from the Wood Stove Combustion of Prevalent United States Tree Species. Environmental Engineering Science, 21(6), 705 (2004); https://doi.org/10.1089/ees.2004.21.705.

J. Růžičková, M.Kucbel, H. Raclavská, M. Šafář, I. Koutník, Chemical and Mineralogical Composition of Soot and Ash from the Combustion of Peat Briquettes in Household Boilers, Energies, 12(19), 3784 (2019);. https://doi.org/10.3390/en12193784.

C. Achten, F. Beer, C. Stader, S. Brinkhaus, Wood-Specific Polycyclic Aromatic Hydrocarbon (PAH) Patterns in Soot Using Gas Chromatography-Atmospheric Pressure Laser Ionization-Mass Spectrometry (GC-APLI-MS), Analytical and Bioanalytical Chemistry, 407(1), 243 (2015); https://doi.org/10.1007/s00216-014-8254-0.

O. Tursunov, I. Karimov, N. Abduganiyev, M. Kurbonova, O. Tursunov, D. Kodirov, A. Isakov, Characterisation and gas chromatography-mass spectrometry analysis of products from pyrolysis of municipal solid waste using a fixed-bed reactor, Journal of Ecological Engineering, 26(3), 157 (2025);. https://doi.org/10.12911/22998993/203363.

B.K. Dutta, S. Khanra, D. Mallick, Leaching of elements from coal fly ash: Assessment of its potential for use in filling abandoned coal mines, Fuel, 88(7), 1314 (2009); https://doi.org/10.1016/j.fuel.2009.01.005.

J. Klyta, K. Janoszka, M. Czaplicka., T. Rachwał, K. Jaworek, Co-combustion of wood pellet and waste in residential heating boilers – comparison of carbonaceous compound emission. Archives of Environmental Protection, 49(3), 100 (2023); https://doi.org/10.24425/aep.2023.147332.

H. Tkachuk, A. Tkachuk, O. Stremetskyi, Vyznachennia vmistu orhanichnykh ta mineralnykh rechovyn u sazhi dymokhodiv, Herald of Khmelnytskyi National University. Technical Sciences, 359(6.2), 97 (2025); https://doi.org/10.31891/2307-5732-2025-357-83.

H. S. Tkachuk, O. Yu. Navrotska, Investigation of quality of golden jewelery by X-ray fluorescent method. Proc. 1st Int. Sci. Theor. Conf. "Technologies and Strategies for the Implementation of Scientific Achievements", 2, Stockholm, Sweden, 36 (2022).

H.S. Tkachuk, O.Yu. Navrotska, Research of the composition of golden and silver products by the X-ray fluorescent method. Proc. 3rd Int. Sci. Pract. Conf. "Modern Directions and Movements in Science" (InterConf, 176), Luxembourg, 162 (2023).

S.V. Vassilev, C.G. Vassileva, D. Baxter, J. Beers, An overview of the chemical composition of biomass, Fuel, 105, 40 (2013); https://doi.org/10.1016/j.fuel.2012.10.041.

M.K. Misra, K.W. Ragland, A.J. Baker, Wood ash composition as a function of furnace temperature, Biomass and Bioenergy, 4(2), 103 (1993); https://doi.org/10.1016/0961-9534(93)90032-Y.

H. Lopes, L.A. Tarelho, J.J. Cruz, Chemical characterization of ashes from the combustion of biomass fly ash and bottom ash., Fuel, 90(3), 1111 (2011); https://doi.org/10.1016/j.fuel.2010.10.033.

I. Kourtchev, S. Hellebust, J. M. Bell, D.B. O’Shea, J. C. Wenger, Characterization of carbonaceous particles and their surfaces: Implications for atmospheric chemistry and environmental forensics, Atmospheric Environment, 182, 112 (2018); https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2018.03.031.

A.Wierzbicka, P.U. Nilsson, J. Rissler, G. Sallsten, Y. Xu, J.H. Pagels, M. Bohgard, Characterization of emissions of direct and indirect greenhouse gases and airborne particles from biofuels combustion, Science of The Total Environment, 505, 1152 (2015); https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2014.10.082.

E. Vainio, M. Björklund-Sjöblom, D. Lindberg, P. Yrjas, M. Hupa, Fate of iron in combustion of biomass residues and waste, Fuel Processing Technology, 141, 128 (2016); https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2015.06.019.

B.R.T.Simoneit, Biomass burning — a review of organic tracers for smoke from incomplete combustion, Applied Geochemistry, 17(3), 129 (2002); https://doi.org/10.1016/S0883-2927(01)00061-0.

H. Richter, J.B. Howard, Formation of polycyclic aromatic hydrocarbons and their growth to soot – a review of chemical mechanisms, Progress in Energy and Combustion Science, 26(4-6), 565 (2000); https://doi.org/10.1016/S0360-1285(00)00009-5.

G. Lu, D.D. Do, Influence of metal oxides on the formation and oxidation of soot and polycyclic aromatic hydrocarbons, Energy & Fuels, 34(10), 12015 (2020); https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.0c02456.

H. Wang, Formation of nascent soot and other condensed-phase materials in flames. Proceedings of the Combustion Institute. 33(1), 41–67 (2011); https://doi.org/10.1016/j.proci.2010.09.009.

O.V. Kravchenko, O.S. Butenko, P.V. Trubachov, Analysis of chemical mechanisms of biomass thermal degradation for fire safety purposes, Journal of Physics: Conference Series, 1398(1), 012003 (2019); https://doi.org/10.1088/1742-6596/1398/1/012003.

F.X. Collard, J. Blin, A review on pyrolysis of biomass constituents: Mechanisms and prediction of pollutant precursors, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 38, 594 (2014); https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.06.029.

V. Zubkova, K. Styszko, T. Golec, Investigation of the physicochemical properties of soot deposits in biomass-fired domestic boilers, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 138(5), 3215 (2019); https://doi.org/10.1007/s10973-019-08342-y.

S. Wang, Y. Wang, S. Luan, J. Jiang, Fate of organosilicon compounds during the thermal treatment of waste: Adsorption and transformation on mineral surfaces, Waste Management, 126, 450 (2021); https://doi.org/10.1016/j.wasman.2021.03.033.