zhpsЖурнал прикладной спектроскопииZhurnal Prikladnoii Spektroskopii0514-7506B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Scienceszhps-1877Research ArticleАННОТАЦИИ АНГЛОЯЗЫЧНЫХ СТАТЕЙABSTRACTS ENGLISH-LANGUAGE ARTICLESКомбинированный подход, основанный на совместном использовании лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии, масс-спектрометрии и нейронных сетей, для контроля продуктов горения резиныOnline in situ Diagnosis and Traceability of Rubber Combustion: Utilizing LIBS, Mass Spectrometry, and Machine LearningTianD.TianD.

Хуайнань, Нанкин

Dongpeng Tian

Huainan, Nanjing

ChenG.ChenG.

Хуайнань

Gang Chen

Huainan, Nanjing

chgmech@mail.ustc.edu.cnZhouW.ZhouW.

Нанкин

Wentao Zhou

Nanjing

LiL.LiL.

Гуанчжоу

Lei Li

Guangzhou

LiuY.LiuY.

Хуайнань, Нанкин

Yuzhu Liu

Huainan, Nanjing

yuzhu.liu@nuist.edu.cnКоординационный инновационный центр горнодобывающей техники и электрооборудования провинции Аньхой (Аньхойский университет науки и технологий); Государственная лабораторная база по развитию атмосферного оптоэлектронного обнаружения и слияния информации, Центр совместных инноваций в области атмосферной среды и технологий оборудования провинции Цзянсу (CI-CAEET), Нанкинский университет информационных наук и технологийAnhui Mining Machinery and Electrical Equipment Coordination Innovation Center (Anhui University of Science and Technology); State Key Laboratory Cultivation Base of Atmospheric Optoelectronic Detection and Information Fusion, Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology (CICAEET), Nanjing University of Information Science and TechnologyКоординационный инновационный центр горнодобывающей техники и электрооборудования провинции Аньхой (Аньхойский университет науки и технологий)Anhui Mining Machinery and Electrical Equipment Coordination Innovation Center (Anhui University of Science and Technology)Государственная лабораторная база по развитию атмосферного оптоэлектронного обнаружения и слияния информации, Центр совместных инноваций в области атмосферной среды и технологий оборудования провинции Цзянсу (CI-CAEET), Нанкинский университет информационных наук и технологийState Key Laboratory Cultivation Base of Atmospheric Optoelectronic Detection and Information Fusion, Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology (CICAEET)Институт масс-спектрометрии и атмосферной среды, Инженерный исследовательский центр распределения источников загрязнения воздуха в режиме реального времени провинции Гуандун, Университет ЦзинаньInstitute of Mass Spectrometer and Atmospheric Environment, Guangdong Provincial Engineering Research Center for On-line Source Apportionment System of Air Pollution, Jinan UniversityКоординационный инновационный центр горнодобывающей техники и электрооборудования провинции Аньхой (Аньхойский университет науки и технологий); Государственная лабораторная база по развитию атмосферного оптоэлектронного обнаружения и слияния информации, Центр совместных инноваций в области атмосферной среды и технологий оборудования провинции Цзянсу (CI-CAEET), Нанкинский университет информационных наук и технологий; Международная объединенная лаборатория по метеорологической фотонике и оптоэлектронному обнаружению провинции Цзянсу, Нанкинский университет информационных наук и технологийAnhui Mining Machinery and Electrical Equipment Coordination Innovation Center (Anhui University of Science and Technology); State Key Laboratory Cultivation Base of Atmospheric Optoelectronic Detection and Information Fusion, Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology (CICAEET), Nanjing University of Information Science and Technology; Jiangsu International Joint Laboratory on Meteorological Photonics and Optoelectronic Detection, Nanjing University of Information Science and Technology202520052025923417417Copyright © Tian D., Chen G., Zhou W., Li L., Liu Y., 20252025Tian D., Chen G., Zhou W., Li L., Liu Y.Tian D., Chen G., Zhou W., Li L., Liu Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://zhps.ejournal.by/jour/article/view/1877

На основе лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии (LIBS) разработана система для диагностики и отслеживания процесса горения резины в режиме онлайн. В качестве образцов использованы стирол-бутадиеновый каучук, фторкаучук, силиконовый каучук, хлоропреновый каучук и натуральный каучук. По спектрам LIBS горения резины обнаруживаются металлы Ca, Mg и Na. Установлено, что образующийся дым содержит различные элементы для разных видов резины. Для обнаружения образующегося при горении резины дыма использована специально разработанная система масс-спектрометрии с одной частицей аэрозоля. Проведено сравнение данных масс-спектров и LIBS. Комбинированный подход, объединяющий LIBS с анализом главных компонент и нейронной сетью с обратным распространением ошибки, применен для эффективного обнаружения и идентификации различного дыма, а также отслеживания процесса горения резины. Точность идентификации достигает 94.00%. Сочетание LIBS и указанного алгоритма помогает повысить эффективность обработки большого количества спектральных данных. Проанализированы различия элементов резиновых пластин разных типов, подтверждена точность системы диагностики. Продемонстрированы возможности онлайн-диагностики in situ и изучения процесса горения резины с помощью LIBS, а также спектрального анализа для переработки резины различных типов.

Аn online in situ detection system based on laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is developed for the diagnosis and tracing of the rubber combustion process. The feasibility and accuracy of the system are verified by taking styrene-butadiene rubber, fluoro rubber, silicone rubber, chloroprene rubber, and natural rubber as samples. Metallic elements such as Ca, Mg, and Na are detected in the LIBS spectra of rubber combustion. The results show that the smoke produced contains different elements for different kinds of rubbers. Based on the self-developed single particle aerosol mass spectrometry system, the smoke produced by rubber combustion is detected by mass spectrometry. The mass spectrum data are compared and supplemented for LIBS spectral data. Then, the system, combining LIBS with principal component analysis and backpropagation artificial neural network, achieves efficient detection and identification of different rubber smoke, as well as tracking of the rubber combustion process. The identification accuracy reached 94.00%. The combination of LIBS and algorithm helps to improve the efficiency of processing a large amount of spectral information data. Furthermore, the element differences among various types of rubber slabs are analyzed, thereby validating the accuracy of the diagnosis and traceability system. The aforementioned results indicate that the online in situ diagnosis and traceability of the rubber in the combustion process with LIBS is feasible, and using spectral detection for different types of rubber recycling is also promising.

лазерно-искровая эмиссионная спектроскопиясистема масс-спектрометрии аэрозоля с одной частицейгорение резиныанализ главных компонентнейронная сеть с обратным распространением ошибкиlaser-induced breakdown spectroscopysingle particle aerosol mass spectrometry systemRubber combustionprincipal component analysisbackpropagation artificial neural networkWe would like to thank Miss Xiaomeng A for revising the article and Miss Junyi Zhu for assisting in drawing Fig. 1.We would like to thank Miss Xiaomeng A for revising the article and Miss Junyi Zhu for assisting in drawing Fig. 1.ReferencesM. Raue, M. Wambach, S. Gloggler, D. Grefen, R. Kaufmann, C. Abetz, P. Georgopanos, U. A. Handge, T. Mang, B. Blumich, V. Abetz, Macromol. Chem. and Phys., 215, 245–254 (2014).M. Raue, M. Wambach, S. Gloggler, D. Grefen, R. Kaufmann, C. Abetz, P. Georgopanos, U. A. Handge, T. Mang, B. Blumich, V. Abetz, Macromol. Chem. and Phys., 215, 245–254 (2014).C. P. Prabhu, S. Mohanty, V. K. Gupta, Rubber Chem. and Technol., 94, 410–431 (2021).C. P. Prabhu, S. Mohanty, V. K. Gupta, Rubber Chem. and Technol., 94, 410–431 (2021).J. H. Guo, X. R. Zeng, Q. K. Luo, J. Elastomers and Plastics, 41, 554–573 (2009).J. H. Guo, X. R. Zeng, Q. K. Luo, J. Elastomers and Plastics, 41, 554–573 (2009).Department of Circulation Industry Development, Ministry of Commerce, PRC, China Renewable Resource Recycling Industry Development Report 2018, China Fortune Press, Beijing (2018).Department of Circulation Industry Development, Ministry of Commerce, PRC, China Renewable Resource Recycling Industry Development Report 2018, China Fortune Press, Beijing (2018).L. He, H. D. Cai, Y. Huang, Y. Ma, W. van den Bergh, L. Gaspar, J. Valentin, Y. E. Vasiliev, K. J. Kowalski, J. H. Zhang, J. Build. Eng., 35, 101991 (2021).L. He, H. D. Cai, Y. Huang, Y. Ma, W. van den Bergh, L. Gaspar, J. Valentin, Y. E. Vasiliev, K. J. Kowalski, J. H. Zhang, J. Build. Eng., 35, 101991 (2021).P. Kumar, Y. Fukahori, A. G. Thomas, J. J. C. Busfield, Rubber Chem. and Technol., 80, 24–39 (2007).P. Kumar, Y. Fukahori, A. G. Thomas, J. J. C. Busfield, Rubber Chem. and Technol., 80, 24–39 (2007).N. Z. Noriman, H. Ismail, A. A. Rashid, J. Appl. Polymer Sci., 126, E56–E63 (2012).N. Z. Noriman, H. Ismail, A. A. Rashid, J. Appl. Polymer Sci., 126, E56–E63 (2012).S. Honus, V. Sassmanova, J. Frantik, P. Bukowski, D. Juchelkova, Chem. and Proc. Eng.-Inzynieria Chem. I Proc., 35, 317–329 (2014).S. Honus, V. Sassmanova, J. Frantik, P. Bukowski, D. Juchelkova, Chem. and Proc. Eng.-Inzynieria Chem. I Proc., 35, 317–329 (2014).K. Formela, A. Hejna, L. Zedler, X. Colom, J. Canavate, Express Polymer Lett., 13, 565–588 (2019).K. Formela, A. Hejna, L. Zedler, X. Colom, J. Canavate, Express Polymer Lett., 13, 565–588 (2019).A. A. Basik, J. J. Sanglier, C. T. Yeo, K. Sudesh, Polymers, 13, 1989 (2021).A. A. Basik, J. J. Sanglier, C. T. Yeo, K. Sudesh, Polymers, 13, 1989 (2021).E. Raudonyte-Svirbutaviciene, R. Stakeniene, K. Joksas, D. Valiulis, S. Bycenkiene, A. Zarkov, Chemosphere, 286, 131556 (2022).E. Raudonyte-Svirbutaviciene, R. Stakeniene, K. Joksas, D. Valiulis, S. Bycenkiene, A. Zarkov, Chemosphere, 286, 131556 (2022).Q. H. Zhang, Y. Z. Liu, At. Spectrosc., 43, No. 2, 174–185 (2022).Q. H. Zhang, Y. Z. Liu, At. Spectrosc., 43, No. 2, 174–185 (2022).D. W. Hahn, N. Omenetto, Appl. Spectrosc., 66, 347–419 (2012).D. W. Hahn, N. Omenetto, Appl. Spectrosc., 66, 347–419 (2012).N. Sharma, V. K. Singh, Y. Lee, S. Kumar, P. K. Rai, A. K. Pathak, V. K. Singh, At. Spectrosc., 41, No. 6, 234–241 (2020).N. Sharma, V. K. Singh, Y. Lee, S. Kumar, P. K. Rai, A. K. Pathak, V. K. Singh, At. Spectrosc., 41, No. 6, 234–241 (2020).B. M. Atta, M. Saleem, S. U. Haq, H. Ali, Z. Ali, M. Qamar, Laser Phys. Lett., 15, 125603 (2018).B. M. Atta, M. Saleem, S. U. Haq, H. Ali, Z. Ali, M. Qamar, Laser Phys. Lett., 15, 125603 (2018).D. C. Zhang, Z. Q. Hu, Y. B. Su, B. Hai, X. L. Zhu, J. F. Zhu, X. Ma, Opt. Express, 26, 18794–18802 (2018).D. C. Zhang, Z. Q. Hu, Y. B. Su, B. Hai, X. L. Zhu, J. F. Zhu, X. Ma, Opt. Express, 26, 18794–18802 (2018).J. N. Onkangi, H. K. Angeyo, J. Appl. Spectrosc., 90, No. 6, 1325–1333 (2024).J. N. Onkangi, H. K. Angeyo, J. Appl. Spectrosc., 90, No. 6, 1325–1333 (2024).E. Abas, C. Marina-Montes, M. Laguna, R. Lasheras, P. Rivas, P. Peribanez, J. del Valle, M. Escudero, A. Velasquez, J. O. Caceres, L. V. Perez-Arribas, J. Anzano, Chemosphere, 307, 135706 (2022).E. Abas, C. Marina-Montes, M. Laguna, R. Lasheras, P. Rivas, P. Peribanez, J. del Valle, M. Escudero, A. Velasquez, J. O. Caceres, L. V. Perez-Arribas, J. Anzano, Chemosphere, 307, 135706 (2022).E. L. Wan, Q. H. Zhang, L. Li, Q. H. Xie, X. Li, Y. Z. Liu, Opt. and Laser Eng., 174, No. 6, 107974 (2024).E. L. Wan, Q. H. Zhang, L. Li, Q. H. Xie, X. Li, Y. Z. Liu, Opt. and Laser Eng., 174, No. 6, 107974 (2024).J. Ren, Y. R. Zhao, K. Q. Yu, Comp. Electron. Agric., 197, 106986 (2022).J. Ren, Y. R. Zhao, K. Q. Yu, Comp. Electron. Agric., 197, 106986 (2022).C. Eum, E. Jang, H. Kim, S. H. Nam, Y. Lee, D. Choi, H. Chung, Analyst, 147, 3193–3200 (2022).C. Eum, E. Jang, H. Kim, S. H. Nam, Y. Lee, D. Choi, H. Chung, Analyst, 147, 3193–3200 (2022).A. Brysbaert, K. Melessanaki, D. Anglos, J. Archaeolog. Sci., 33, 1095–1104 (2006).A. Brysbaert, K. Melessanaki, D. Anglos, J. Archaeolog. Sci., 33, 1095–1104 (2006).E. Srivastava, H. Kim, J. P. Lee, S. Shin, S. Jeong, E. Hwang, Chemometrics and Intelligent Lab. Systems, 230, 104667 (2022).E. Srivastava, H. Kim, J. P. Lee, S. Shin, S. Jeong, E. Hwang, Chemometrics and Intelligent Lab. Systems, 230, 104667 (2022).R. C. Wiens, S. Maurice, B. Barraclough, et al., Space Sci. Rev., 170, 167–227 (2012).R. C. Wiens, S. Maurice, B. Barraclough, et al., Space Sci. Rev., 170, 167–227 (2012).T. Kan, V. Strezov, T. Evans, Fuel, 191, 403–410 (2017).T. Kan, V. Strezov, T. Evans, Fuel, 191, 403–410 (2017).N. Miskoiczi, R. Nagy, L. Bartha, P. Halmos, S. B. Fazeka, Microchem. J., 88, 14–20 (2008).N. Miskoiczi, R. Nagy, L. Bartha, P. Halmos, S. B. Fazeka, Microchem. J., 88, 14–20 (2008).M. Toh, T. Gondoh, T. Mori, M. Mishima, J. Appl. Polymer Sci., 95, 166–172 (2005).M. Toh, T. Gondoh, T. Mori, M. Mishima, J. Appl. Polymer Sci., 95, 166–172 (2005).M. Ture, I. Kurt, Z. Akturk, Expert Systems Appl., 32, 422–426 (2007).M. Ture, I. Kurt, Z. Akturk, Expert Systems Appl., 32, 422–426 (2007).S. Marukatat, Artificial Intelligence Rev., 56, 5445–5447 (2023).S. Marukatat, Artificial Intelligence Rev., 56, 5445–5447 (2023).H. Tian, L. N. Zhang, M. Li, Y. Wang, D. G. Sheng, J. Liu, C. M. Wang, Infrared Phys. Technology, 102, 4 (2019).H. Tian, L. N. Zhang, M. Li, Y. Wang, D. G. Sheng, J. Liu, C. M. Wang, Infrared Phys. Technology, 102, 4 (2019).A. J. C. Trappey, C. V. Trappey, L. Ma, J. C. M. Chang, Comp. Ind. Eng., 84, 3–11 (2015).A. J. C. Trappey, C. V. Trappey, L. Ma, J. C. M. Chang, Comp. Ind. Eng., 84, 3–11 (2015).D. P. Tian, Z. M. Sun, E. L. Wan, W. T. Zhou, Z. Chen, Y. Z. Liu, J. Laser Appl., 34, 032011 (2022).D. P. Tian, Z. M. Sun, E. L. Wan, W. T. Zhou, Z. Chen, Y. Z. Liu, J. Laser Appl., 34, 032011 (2022).E. L. Wan, Y. Z. Liu, Z. M. Sun, Q. H. Zhang, M. L. Yang, F. Zhang, Chemosphere, 298, No. 8 (2022).E. L. Wan, Y. Z. Liu, Z. M. Sun, Q. H. Zhang, M. L. Yang, F. Zhang, Chemosphere, 298, No. 8 (2022).Q. H. Zhang, Y. Z. Liu, W. Y. Yin, Y. H. Yan, L. Li, G. H. Xing, Chemosphere, 242, 125184 (2020).Q. H. Zhang, Y. Z. Liu, W. Y. Yin, Y. H. Yan, L. Li, G. H. Xing, Chemosphere, 242, 125184 (2020).Q. H. Zhang, Y. Z. Liu, W. Y. Yin, Y. H. Yan, Q. Y. Tang, G. H. Xing, J. Anal. At. Spectrometry, 35, 341 (2020).Q. H. Zhang, Y. Z. Liu, W. Y. Yin, Y. H. Yan, Q. Y. Tang, G. H. Xing, J. Anal. At. Spectrometry, 35, 341 (2020).Q. H. Zhang, Y. Z. Liu, Y. Chen, Y. Z. Zhangcheng, Z. M. Zhuo, L. Li, Opt. Express, 28, No. 15, 22844–22855 (2020).Q. H. Zhang, Y. Z. Liu, Y. Chen, Y. Z. Zhangcheng, Z. M. Zhuo, L. Li, Opt. Express, 28, No. 15, 22844–22855 (2020).L. Li, Z. Huang, J. Dong, et al., Int. J. Mass Spectrom., 303, 118–124 (2011).L. Li, Z. Huang, J. Dong, et al., Int. J. Mass Spectrom., 303, 118–124 (2011).Y. Z. Zhangcheng, Y. Z. Liu, Q. H. Zhang, et al., Opt. Laser Eng., 142, 106586 (2021).Y. Z. Zhangcheng, Y. Z. Liu, Q. H. Zhang, et al., Opt. Laser Eng., 142, 106586 (2021).Y. Chen, Y. Z. Zhangcheng, Q. H. Zhang, et al., Opt. Laser Technol., 145, 107490 (2022).Y. Chen, Y. Z. Zhangcheng, Q. H. Zhang, et al., Opt. Laser Technol., 145, 107490 (2022).National Institute of Standards and Technology, http://webbook.nist.gov/chemistry/form-ser/National Institute of Standards and Technology, http://webbook.nist.gov/chemistry/form-ser/N. O. Bezverkhnii, T. A. Lapushkina, N. A. Monakhov, M. V. Petrenko, S. A. Ponyaev, Tech. Phys. Lett., 47, 68–70 (2021).N. O. Bezverkhnii, T. A. Lapushkina, N. A. Monakhov, M. V. Petrenko, S. A. Ponyaev, Tech. Phys. Lett., 47, 68–70 (2021).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.