天津商業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)：光固化3D打印廢物焚燒過(guò)程污染物釋放特性研究

文章來(lái)源：Waste Management廢物管理微信公眾號(hào)

圖文摘要

文章亮點(diǎn)

●本文探明了新興有機(jī)固廢PCW的燃燒過(guò)程與污染物釋放特性；
●揭示了PCW焚燒產(chǎn)物包含氰化氫等有毒組分，且芴和三苯含量是常見(jiàn)塑料的兩倍；
●從抑制PAHs釋放角度闡釋了PCW更適合與MSW中的廚余垃圾、常見(jiàn)塑料、木竹一同處置，而與橡膠、紙張、紡織品一起焚燒會(huì)加劇VOCs的生成和釋放。

引言

光固化3D打印因具有技術(shù)成熟、精度高、成型速度快、適用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)今制造業(yè)占據(jù)重要地位。光固化塑料10年預(yù)測(cè)期的復(fù)合年增長(zhǎng)率高達(dá)17%，是2022-2027年期間常見(jiàn)塑料年復(fù)合年增長(zhǎng)率的3.32倍，隨之而來(lái)的光固化廢物（PCW）產(chǎn)量也增長(zhǎng)迅猛，逐漸引起人們的關(guān)注。

PCW屬于共價(jià)交聯(lián)熱固性塑料，難以回收利用或生物降解。由于制造工藝需求，制作原料中光引發(fā)劑占比3-8%，多數(shù)具有一定毒性，對(duì)生物體及環(huán)境存在潛在危害。然而PCW作為新興有機(jī)固廢，尚缺乏針對(duì)性處置及回收辦法，日常丟棄后可能隨城市生活垃圾（MSW）焚燒處置。在未知其焚燒特性情況下，隨著其產(chǎn)量的增加是否會(huì)增添環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，亟需探明。且隨著垃圾分類(lèi)的推進(jìn)，PCW與MSW中不同可燃組分在焚燒處置過(guò)程中是否存在交互影響也需闡釋。

主要內(nèi)容

1. PCW燃燒特性及產(chǎn)物組成

首先采用TG-MS/FTIR聯(lián)用系統(tǒng)獲得了PCW焚燒反應(yīng)過(guò)程的熱失重階段以及熱失重過(guò)程揮發(fā)性有機(jī)物的主要組分。根據(jù)TG-DTG曲線分析PCW的焚燒反應(yīng)過(guò)程，主要分為以下幾個(gè)階段：
100-260℃：水分蒸發(fā)以及半揮發(fā)性化合物分解包括未固化的小分子結(jié)構(gòu)，如低聚物、光引發(fā)劑、小分子稀釋劑和改性劑等；

260-495℃：有機(jī)聚合物分解階段，是主要分解階段，大分子物質(zhì)如聚氨酯鏈和環(huán)氧丙烯酸酯鏈分解為簡(jiǎn)單的有機(jī)和無(wú)機(jī)分子，失重率可達(dá)到80%；

495-700℃：燃盡階段。

圖1 PCW焚燒過(guò)程TG-DTG曲線

圖2 PCW焚燒過(guò)程FTIR曲線

PCW焚燒過(guò)程生成的揮發(fā)性有機(jī)物組分主要為CO、乙烷、環(huán)丙基甲醇、環(huán)丁醇、甲醛、乙醇、2-甲基丙烯酸羥乙基酯、二異丁基甲醇、內(nèi)酰胺和3,3-二甲基-4-甲基氨基丁烷-2-1等。

表1 PCW焚燒過(guò)程揮發(fā)性產(chǎn)物組分

通過(guò)管式爐實(shí)驗(yàn)對(duì)PCW進(jìn)行焚燒條件的氧化實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變焚燒溫度得到PCW焚燒產(chǎn)物生成釋放特性及其與常見(jiàn)塑料焚燒處置產(chǎn)物的差異，結(jié)果如下：

PCW焚燒生成的煙氣主要含有甲醛、氰化氫、苯等多環(huán)芳烴的前驅(qū)物，其中氰化氫具有毒性，會(huì)造成環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)；

PCW焚燒生成的灰分主要成分為萘和甲基萘、聯(lián)苯、苊、1-萘碳腈、芴、甲醇、2-苯萘、芘和三苯等多環(huán)芳烴，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染；

PCW焚燒處置產(chǎn)生的芴和三苯等多環(huán)芳烴的含量是常見(jiàn)塑料的兩倍。

圖3 PCW與常見(jiàn)塑料焚燒產(chǎn)物組分對(duì)比

2. PCW隨MSW焚燒處置產(chǎn)物特性

結(jié)合目前PCW未有針對(duì)性處置或回收辦法，日常丟棄后可能隨MSW一同焚燒處置現(xiàn)狀，通過(guò)焚燒實(shí)驗(yàn)探究了PCW與MSW在不同比例下?lián)交旆贌龝r(shí)產(chǎn)物生成釋放特性。研究表明，PCW隨MSW一同焚燒產(chǎn)物組分受摻混比例影響較小。且摻混焚燒時(shí)，萘、環(huán)己烷和庚烷等化合物的產(chǎn)生量至少是單獨(dú)焚燒MSW的兩倍。

圖4 PCW與MSW摻混焚燒前后產(chǎn)物組分對(duì)比

3. PCW與MSW各可燃組分摻混焚燒產(chǎn)物特性

PCW與橡膠和紡織品一起焚燒，產(chǎn)生的PAHs比PCW單獨(dú)焚燒多2-3倍；
PCW與紙類(lèi)一同焚燒產(chǎn)生的庚烷、壬烷、環(huán)己烷、芘和蒽比PCW單獨(dú)焚燒多3-5倍；
PCW與木竹一同焚燒主要產(chǎn)物含量低于10%；
當(dāng)PCW與廚余垃圾和常見(jiàn)塑料一同焚燒時(shí)，大部分產(chǎn)物含量保持在5%以下。

圖5 PCW與MSW中不同可燃組分摻混焚燒產(chǎn)物組分對(duì)比

（a）紙類(lèi)，（b）紡織品，（c）橡膠

圖6 PCW與MSW中不同可燃組分摻混焚燒產(chǎn)物組分對(duì)比

（a）廚余垃圾，（b）常見(jiàn)塑料，（c）木竹

結(jié)論

PCW相較于常見(jiàn)塑料，其原料組成氧元素相對(duì)較高，表面存在光引發(fā)劑殘留，焚燒所需活化能較高，揮發(fā)性產(chǎn)物中含有CO、CO2以及由酯類(lèi)分解而成的飽和脂肪烴；
PCW焚燒實(shí)驗(yàn)表明，PCW焚燒處置產(chǎn)物包含氰化氫等有毒組分，且芴和三苯含量等多環(huán)芳烴的含量是常見(jiàn)塑料的兩倍；
PCW與MSW摻混焚燒時(shí)，萘、環(huán)己烷和庚烷等化合物的產(chǎn)生量至少是單獨(dú)焚燒MSW的兩倍；
PCW與MSW六種可燃組分分別摻混焚燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PCW與廚余垃圾、常見(jiàn)塑料和木竹一同焚燒處置生成的灰分組分相對(duì)清潔；與橡膠、紙張和紡織品一同焚燒則會(huì)加劇PAHs的生成和釋放。


作者簡(jiǎn)介

作者：陳冠益，宋玉茹，張閎楠，孫昱楠，旦增，程占軍，顏蓓蓓
通訊作者：孫昱楠, 天津商業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 環(huán)境能源+X創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室


出版信息

Author: Guanyi Chen, Yuru Song, Hongnan Zhang, Yunan Sun, Dan Zeng, Zhanjun Cheng, Beibei Yan

Publication: Waste Management

Publisher: Elsevier

Date: 1 October 2024

© 2024 Elsevier Ltd.
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.wasman.2024.07.010