Una alternativa al reciclaje: medición de entalpías de combustión de plásticos mediante calorimetría de bomba

Una alternativa al reciclaje: medición de entalpías de combustión de plásticos mediante calorimetría de bomba

INTRODUCTION

Plastic

Durante los últimos cien años, los plásticos han explotado tanto en términos de aplicaciones y tipos de polímeros. Aunque esto expansión ha llevado a mejoras significativas en la sociedad, también ha resultado en que estemos inundados de plásticos usados ​​y de desecho.

Los plásticos contribuyen a más del 10% de los residuos sólidos urbanos (RSU) en los Estados Unidos.2 A pesar de que seis de los los plásticos tienen códigos especiales de reciclaje (todos los demás plásticos son agrupado en el código de reciclaje "7" designado como otro), sólo poli (etileno) tereftalato (PET, código de reciclaje "1") y polietileno de alta densidad (HDPE, código de reciclaje "2") tienen tasas de reciclaje superiores al 10% en los Estados Unidos.3 En cambio, 3/ 4 de los plásticos se envían a vertederos. Incluso si aumentamos nuestro reciclaje tarifas, existe la duda de si es rentable reutilizar los polímeros para nuevos productos. Actualmente, solo una pequeña cantidad (13%) de los RSU se quema para obtener energía en los EE. UU., Pero esta eliminación el método es muy prometedor para el futuro. Los plásticos son principalmente derivan de combustibles fósiles y se componen principalmente de hidrocarburos (Figura 1), por lo que se esperaría que tendría un contenido energético similar al de un combustible fósil. Ahí han sido una serie de experimentos propuestos que fomentan que los estudiantes investiguen fuentes de energía alternativas para una variedad de 5-7 En este experimento, se preguntó a los estudiantes si quemar plásticos reciclables para obtener energía tiene sentido desde una perspectiva de la energía química. Para responder a esta pregunta, los estudiantes midieron directamente el contenido de energía combustible en varios tipos de plásticos y comparó estos valores con la literatura valores, así como el contenido energético de fósiles y biocombustibles.

Bomba de calorimetría

La calorimetría de bomba es una técnica comúnmente utilizada para la determinación del contenido energético interno del combustible materiales (por ejemplo, combustibles sólidos, combustibles líquidos, alimentos, etc.) y tiene

Se ha empleado en numerosas aplicaciones de enseñanza para determinar la energía interna o energía de combustión de una sustancia. El calorímetro de bomba está diseñado para crear una explosión donde el volumen del recipiente de reacción, la bomba, no cambia. El aspecto de volumen constante del experimento significa que se mide el cambio en la energía interna (ΔU), no cambio de entalpía (ΔH). Experimentando con una bomba calorímetro, los estudiantes experimentan un calorímetro único y una aplicación práctica de un termodinámico de volumen constante procesos. Sin embargo, en esencia, la técnica sigue siendo clásica calorimetría para la que el usuario mide el cambio en la temperatura del entorno para medir el cambio de energía del sistema (qsys = −qsurr). El instrumento utilizado para obtener los datos presentados aquí fueron un calorímetro de bomba de oxígeno de camisa simple, pero hay otras variaciones de calorímetros de bomba.

Los objetivos de este experimento son calibrar con precisión una bomba calorímetro y luego determinar las energías de combustión para diferentes tipos de plásticos reciclables. Se harán comparaciones entre el contenido de energía de los plásticos ensayados y sus respectivos valores de la literatura para confirmar la exactitud de la experimentar. Finalmente, se pueden hacer comparaciones entre las energías de combustión de los plásticos estudiados y otros combustibles fuentes como carbón, hidrocarburos o biocombustibles.

■ DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO

Este experimento se realizó en una química física laboratorio. En el momento en que se llevó a cabo este experimento, la parte de conferencias del curso se centró en los cambios en energía interna y entalpía. Una configuración de calorímetro de bomba puede ser operado de manera competente por uno o dos estudiantes. Grupos de tres puede funcionar, pero un miembro puede encontrarse con poco que hacer. Probablemente deberían evitarse los grupos de más de tres para que todos los miembros del grupo pueden participar activamente en el experimento. Vencer al costo de una configuración de calorímetro de una sola bomba ($ 5,000 - $ 10,000 dependiendo de la configuración) se sugiere que este el experimento se lleve a cabo en forma de round robin (es decir, múltiples experimentos por los que los diferentes grupos de estudiantes rotan varias semanas). Cuatro grupos diferentes, usando dos bombas configuraciones de calorímetro, realizado calibraciones y datos separados recopilación para adquirir los datos presentados en el transcurso de 3 semanas.

Dependiendo del número de muestras, los estudiantes deben combustión, sus capacidades de laboratorio y la duración del período de laboratorio / clase, este experimento puede llevar varios laboratorios períodos. Se observó aquí que un grupo competente de jóvenes y los estudiantes de ciencias de alto nivel pudieron completar constantemente la combustión de calibración de ácido benzoico y otras dos muestras combustiones durante un solo período de laboratorio de 3 h. Grupos entonces normalmente terminaría una prueba restante dentro de aproximadamente 30-40 min del siguiente período de laboratorio, momento en el que el siguiente grupo podría comenzar el experimento. Sin embargo, si cada grupo es solo necesario para calibrar el calorímetro y luego quemar dos muestras, es razonable completar todo el experimento en un período de laboratorio de 3 h. Una sola prueba de combustión puede tardar entre 30 y 70 min dependiendo de las capacidades y competencias de los experimentadores.

■ OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

En este experimento, se pide a los estudiantes que utilicen su química habilidades para responder una pregunta de química ambiental aplicada, por tanto, existen realmente dos objetivos de aprendizaje. Primero, los estudiantes necesito aprender los principios químicos asociados con la bomba calorimetría, como la termodinámica de un volumen constante proceso de combustión para el que el valor medido es ΔU. Tiempo Este sigue siendo un experimento de calorímetro, debido a la singularidad condiciones experimentales, la entalpía no es el valor medido (a diferencia de muchas soluciones o termos, calorímetros donde ΔH es medido directamente). Además, la mayoría de los calorímetros de bomba son bien aislado, lo que da como resultado un escaso intercambio de energía con entorno del calorímetro. Este aspecto del experimento pueden ayudar a asegurar buenos resultados y darles a los estudiantes una base por lo que es un "sistema casi aislado". Además de aprender cómo para operar el calorímetro, los estudiantes deben usar los datos de energía de combustión para responder a la pregunta más amplia de si algunos plásticos deberían quemarse para obtener energía. Los estudiantes necesitan comparar sus datos con los valores de la literatura de datos de energía de combustión de otras fuentes de combustible para combustión de plásticos en el contexto más amplio de los RSU. Por al hacer que los estudiantes trabajen en una pregunta aplicada más amplia, los estudiantes pueden comprender mejor que la generación de datos es solo un paso del proceso científico general

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