鋁塑包裝廢物的熱解特性研究

環(huán)境科學(xué)研究第21卷第6期Research of Environmental SciencesvoL.21,No.6,2008鋁塑包裝廢物的熱解特性研究宋薇,岳東北‘,劉建國,姚遠,劉富強,聶永豐清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,北京100084摘要:利用熱重-差熱-傅立葉變換紅外光譜聯(lián)用儀對鋁塑包裝廢物熱解特性進(jìn)行分析,并對物料性質(zhì)、紙質(zhì)存在對熱解過(guò)程的影響進(jìn)行研究,結果表明:鋁塑包裝廢物熱解主要發(fā)生于438-500℃,最大失重速率出現在470-475℃;產(chǎn)物中主要是C一以及少量的一C一C—與芳香烴;反應溫度由50℃升至850℃,鋁塑包裝廢物依次經(jīng)歷聚乙烯熔融軟化、熱解,鋁熔融鋁與焦狀物反應等過(guò)程;鋁塑包裝廢物中含紙質(zhì)時(shí),在3124~363.2℃增加了一個(gè)失重過(guò)程,同時(shí)高溫時(shí)的熱解反應更為復雜關(guān)鍵詞:鋁塑包裝廢物;熱解特性;熱重-差熱分析;傅立葉變換紅外光譜中圖分類(lèi)號:X79文獻標志碼;A文章編號:1001-6929(2008)06-0095-04Study on the Pyrolysis Properties of Aluminum-Plastic Package WasteSONG Wei, YUE Dong-bei, LIU Jian-guo, YAO Yuan, LIU Fu-qiang, NIE Yong-fengDepartment of Environmental Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084,ChinaAbstract: Pyrolysis properties of aluminum-plastic package waste were studied by Thermo gravimetric analysis-Differential thermal analysis-Fourier transform infrared spectroscopy(TG-DTA-FTIR). The results indicated that the pyrolysis reaction mainly occurred at 438-500C, andthe maximum weight loss rate was observed at 470-475C. The main pyrolysis products were-C-C-,and aromatichydrocarbon. The thermal process included four phases: PE melting and softening, PE pyrolysis, and aluminum melting when the temperatureincreased from 50C to 850C. As for the aluminum-plastic waste containing paper, a new weight loss process was observed atmperature between 312. 4-363. C, and the thermKey words: aluminum-plastic package waste pyrolysis properties: Thermo gravimetric- Differential thermal analysis; Fourier transform infrare鋁塑包裝廢物是在牛奶、果汁等食品消費同時(shí)此,分離回收技術(shù)已成為鋁塑包裝廢物資源化技術(shù)的產(chǎn)生的一類(lèi)由鋁、聚乙烯( Polyethylene,PE)及紙質(zhì)主要研究方向.縱觀(guān)各分離技術(shù)4),雖然粉碎篩分、構成的廢物,具有回收價(jià)值高、產(chǎn)生量大的特點(diǎn).目化學(xué)溶劑處理與水力分解技術(shù)均有較好的紙去除回前鋁塑包裝廢物回收利用率僅為01%左右,絕收效果,但回收的鋁中總殘留部分P,嚴重降低了鋁大多數混入生活垃圾,以填埋或焚燒方式處理,造成的純度與應用價(jià)值.究其原因,鋁塑包裝生產(chǎn)中使用了極大的資源浪費與嚴重的環(huán)境問(wèn)題2.除去管理熱壓合工藝1,致使鋁與黏附其上的塑料結合緊制度上的不足缺乏高效的回收利用技術(shù)是實(shí)現密;再加之PE耐酸堿特性,因此一般的物理化學(xué)方該類(lèi)廢物資源化的主要制約因素法都難以分離鋁塑.PE具有熱穩性差的特點(diǎn)鋁塑包裝廢物回收技術(shù)可分2類(lèi):將度物整體因此,通過(guò)熱解B叫可使塑料發(fā)生反應析出,而鋁則直接加工成板材,但存在產(chǎn)品附加值低及品質(zhì)不穩定仍保持原有性態(tài),以此實(shí)現鋁塑分離等問(wèn)題;②將廢物中的紙、鋁和PE先分離,再分別加筆者在鋁塑包裝廢物組成分析的基礎上,采用以利用,可充分利用再生資源,產(chǎn)品附加值較高.因熱重-傅立葉變換紅外光譜聯(lián)用儀對熱解過(guò)程進(jìn)行全面分析,并研究了物料性質(zhì)紙質(zhì)2種因素的收稿日期:2008-07-17修訂日期:2008-08-28基金項目:國家“十一五”科技支撐計劃項目(2006BAC02A13)影響中國煤化工解技術(shù)的適用性作奢簡(jiǎn)介:宋薇(1978-),女,山東濟南人,博士研究生,以及芹論依據CNMHG實(shí)任作者,岳東北(1978-),男,吉林榆樹(shù)人,助理研究員,博士,研究方向為固體廢物處理處置與資源化技術(shù), yuedb@ tsinghua. ed,cm1.1試驗材料環(huán)境科學(xué)研究第21卷1.1.1材料選取鋁塑材料取自目前應用最廣泛的利樂(lè )與康美2種鋁塑復合包裝,其中利樂(lè )包裝選取250mg蒙牛純感圖牛奶包裝,康美包裝選取匯源真果汁包裝紙鋁塑11.2材料制備s秉乙烯圖紙金屬鋁通過(guò)預處理去除鋁塑材料中的外層PE與紙,圖1紙鋁塑與鋁塑材料結構示意圖剩余金屬A及黏附其上的PE.預處理步驟為:①浸Fig.1 Structure diagram of paper-aluminum-plastics material泡.將原材料置于90℃的NaOH溶液(質(zhì)量分數為213-2003)標準測定,所用儀器為Par181型氧彈1%)1h,以使紙層外的聚乙烯脫離.②刷洗去紙.量熱儀(美國PARR公司);C,H與N的含量依據《煤利用刷子將紙層刷干凈,得到鋁塑材料.將鋁塑材的元素分析方法》(GB/T476-2001)測定,所用儀器料置于鼓風(fēng)干燥箱105℃下干燥24h,除去水分,結為CE-440型元素分析儀(美國EA公司).表1中構變化見(jiàn)圖1.將鋁塑材料破碎至尺寸小于1mmx的揮發(fā)分代表物質(zhì)中有機物;灰分代表物質(zhì)中情性1mm屑狀,待用物質(zhì);固定碳為有機質(zhì)經(jīng)隔絕空氣加熱分解得到的11.3鋁塑材料的性質(zhì)殘留物;鋁塑中的元素主要有C,H,N與A,而元素鋁塑材料與紙鋁塑材料性質(zhì)分析數據如表1所分析儀只能測出前3種元素,A含量則由減量法得示,其中揮發(fā)分、灰分與固定碳等含量依據《煤的到但由于紙鋁塑材料中還含有O,故無(wú)法得到A工業(yè)分析方法》(GB/T212-200)標準測定,所用儀含量,由表1可知,鋁塑廢物中揮發(fā)分含量較高,相器為SX2型箱式電阻爐(上海浦東榮豐科學(xué)儀器有應熱值也較高,表明鋁塑廢物可資源化潛力較大,適限公司);熱值依據《煤的發(fā)熱量測定方法》(GB/T宜采用熱處理方法衰1樣品性質(zhì)分析Table 1 Characteristics of paper-aluminum-plastics material samples熱值項目固定碳AI (kJ.kg")74,4424.930.31利樂(lè )11.0041714紙鋁塑康美鋁塑80,5568.97l1.930.3618.7412試驗儀器及操作方法熱解過(guò)程的熱重-微商熱重-差熱曲線(xiàn)(見(jiàn)圖2).12,1試驗儀器由圖2(a)可知,在TG曲線(xiàn)上只有1個(gè)熱失重平臺,熱重一差熱一紅外聯(lián)用儀系統(TG-DTA-出現在438-500℃,由材料組成可知,為PE熱解失FTIR)由德國 NETZSCH公司的STA409C型熱重差重所致.相應地,在DG曲線(xiàn)上僅在4753℃處有熱分析儀和美國 Nicolet公司的 NEXUS70型傅立葉失重峰,最大失重速率為18.23%/℃.整個(gè)過(guò)程變換紅外光譜聯(lián)用儀組成試驗過(guò)程中同時(shí)記錄熱的總失重率為n1.27%,略低于樣品工業(yè)分析中揮重-微商熱重-差熱曲線(xiàn)(TG-DTG-DTA)和紅外發(fā)分含量(74.44%).此外,因殘渣中含有一定量的光譜圖(IR)固定碳,由TG曲線(xiàn)得到的殘留率(28.73%)高于元122操作方法為消除傳熱和擴散影響,采用低升溫速率、大載素分析中A的含量氣流速及微量樣品的試驗條件,樣品質(zhì)量為(2500±2.12IR譜圖002)mg;升溫50~850℃終溫保持10mn,升溫速率圖3為最大失重速率出現時(shí)刻的I圖.由圖3為10℃/min;氣體吹掃速度100ml/min;氮氣氣氛可知,在波數2800~3000cm的吸收峰表現最為2結果與討論明顯中國煤化工.波數為30102.1熱解過(guò)程3CN MH Gm的吸收峰歸屬211TG-DTG-DTA曲線(xiàn)于一C=C-;3000~3100,1450~1600,680~880以利樂(lè )包裝為例,分析鋁塑材料在氮氣氣氛下cm的吸收峰則表明了芳香烴的存在第6期宋薇等:鋁塑包裝廢物的熱解特性研究哥被水溫度/℃c溫度rc溫度℃C(b)DTG圖2利樂(lè )鋁塑材料熱解的TG-DTG-DA曲線(xiàn)Fig 2 TG- DTG-DTA curves of Tetra pak aluminum-plastic material at pyrolysis但相應溫度的TG曲線(xiàn)不發(fā)生變化,鑒于鋁的熔點(diǎn)在60℃左右,據此推測,此時(shí)可能發(fā)生了鋁的熔04融吸熱;④731.1℃附近出現吸收峰時(shí),該溫度處的TG上未發(fā)生變化,估計是A與殘渣中的某些物質(zhì),主要是焦狀物發(fā)生了吸熱反應003000250020001500122影響因素波數/em22.1物料性質(zhì)圖34753℃時(shí)鋁塑材料熱解產(chǎn)物的IR譜圖圖4為10℃/min升溫速率下康美包裝樣品熱解Fig 3 Infrared spectrum of pyrolysis products of的TG-DTG-DTA曲線(xiàn),特性參數如表2所示,對aluminum-plastic material at 475. C比圖2,4,利樂(lè )、康美2個(gè)樣品的變化趨勢極為相213DTA曲線(xiàn)似:最大失重峰出現的溫度相近,均在470~475℃;由圖2(c)可知,DTA曲線(xiàn)出現4個(gè)吸熱峰:①而起始反應時(shí)間略有差異,這可能是由于組成差異10℃處有一小吸熱峰,而此時(shí)TG曲線(xiàn)不發(fā)生變引起傳熱傳質(zhì)效率不同所致,但是,二者的總失重化這可能是PE發(fā)生了由固態(tài)到熔融狀態(tài)的相變率及最大失重速率相差較大康美鋁塑的總失重率吸熱反應;②4823℃處出現最大吸熱峰,對應與失重速率明顯高于利樂(lè )鋁塑,這主要源于康美中于PE熱解吸熱反應;⑧6556℃附近出現吸熱峰,的PE含量(揮發(fā)分表征)較高所致0如則如如如如12如4如mo“0如40sa6oos溫度rt溫度廣溫度f(wàn)℃(a)TG(e)DTA圖4康美鋁塑材料熱解的TG-DTG-DA曲線(xiàn)Fig 4 TG-DTG-DTA curves of SIG Combibloc aluminum-plastic materials at pyrolysis表2鋁塑材料熱解的特性參數Table 2 Parameters for aluminum-plastic material pyrolysis反應條件T/℃/℃中國煤化工總失重第利樂(lè )鋁塑(N475.371.27康美鋁塑(N2)451,0477.5CNMHG81.36利樂(lè )紙鋁塑3124(44.1)363,2(4986)341.3(4760)1)因利樂(lè )紙鋁塑有2個(gè)失重過(guò)程故T,T,T和最大失重速率均對應2個(gè)值注:T=,T。和T分別為鋁塑材料熱解反應的起始溫度、結束溫度和最大失重峰對應溫度環(huán)境科學(xué)研究第21卷222紙質(zhì)的影響重過(guò)程,對應于紙質(zhì)的熱解反應;此外,在DTA曲線(xiàn)考慮在實(shí)際應用時(shí),紙鋁塑中的紙不能同實(shí)驗中,除增加紙質(zhì)熱解吸熱峰外,在高溫區的吸熱峰也室操作一樣完全去除,不可避免地會(huì )有少量紙質(zhì)殘明顯不同,分別在721.3℃與810.0℃出現2個(gè)峰,留其中,通過(guò)比較鋁塑與紙鋁塑的熱解過(guò)程(見(jiàn)圖這可能是由于紙質(zhì)存在時(shí)熱解產(chǎn)生的焦狀物增加,5),分析紙質(zhì)對鋁塑熱解的影響.較之鋁塑熱解,紙從而對鋁與焦狀物的反應產(chǎn)生影響.具體的反應過(guò)鋁塑的TG-DTG曲線(xiàn)在3124-363.2℃出現一失程還需進(jìn)一步探討100遲哥堿水0800300400500600700800溫度℃C溫度(b)DTG(c)DTA圖5紙鋁塑材料熱解的TG-DTG-DTA曲線(xiàn)Fig. 5 TG-DTG- DTA curves of paper- aluminum-plastic material at pyrolysis3結論[9]赫恩南德茲塞爾克,卡爾特爾塑料包裝:性能加工、應用a.鋁塑熱解主要發(fā)生于438~500℃;最大失條例[M],北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004[10]趙曜趙延偉鄺賢鋒,等塑料包裝廢棄物在城市垃圾中的含重速率出現在470~475℃;總失重率與其組成性質(zhì)量及其危害性分析[J].廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2006中揮發(fā)分含量相近;熱解產(chǎn)物中主要是一C一C一以(3):18-20及一定量的一C-C一與芳香烴[1]劉雙全,于文錦,張利.PE廢塑料熱解油化中催化劑的研究b.鋁塑廢物由低溫到高溫(50~850℃)的熱反[].化學(xué)工程師,2002,91(2):6062應分為4個(gè)階段,依次為PE熔融軟化、熱解,鋁熔[12] Ayhan D, Pyrolysis of municipal plastic waste for recovery ofine-range hydrocarbons[J]. Joumal of Analytical and App融,鋁與焦狀物反應Pyrolysis, 2004, 72: 97-102c.當鋁塑廢物中含有紙質(zhì)時(shí),在312.4[13] Bockhom H, Hentschel J, Hormung A, e a.Environme3632℃增加一紙質(zhì)的熱失重過(guò)程,最大失重速率ysis of plastic waste [J1出現于3413℃;同時(shí),高溫時(shí)鋁與焦狀物的反應更Engineering Science, 1999, 54: 3034-3051為復雜[14] Serum L, GrMali M G, Hustad J E. Pyrolysis characteristics ankinetics of municipal solid wastes[ J]. Fuel, 2001, 80: 1217-1227參考文獻( References):[15] Heikkinen J M, Hordijk J C. Thermogravimetry as a tool to classify[1]趙素芬復合軟包裝材料回收利用研究進(jìn)展[包裝世界waste components to be used for energy generation [J]Journal of2007(5):6769pplied Pyrolysis, 2004, 71:2]李麗楊健新,王琪我國包裝廢物回收利用現狀及典型包裝[16] Garcia A N, Marcilla a,FotR. Thermogravimetric kinetic study of物的生命周期分析[門(mén)]環(huán)境科學(xué)研究,2005,18(增刊):10-12.the pyrolysis of municipal solid waste[J ]. Thermochimica Acta3]張進(jìn)鋒,聶永豐.垃圾處理領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和啟示[門(mén)]環(huán)境科1995,254:277-304學(xué)研究,2006,19(1):5763[17] Robert M S, Francis X W, David J K Spectrometric identification of4]楠樂(lè )利樂(lè )環(huán)保從頭至尾由里及外[N].中國包裝報,2005organic compounds[ M]. Shanghai: East China University of Science(4);18.and Technology Press, 20065]顧華張波含鋁廢塑料的鋁塑分離研究[刀]礦冶工程,[18]梁文杰重質(zhì)油化學(xué)[M]東營(yíng):石油大學(xué)出版社,1992007,27(5):4750[19]謝晶曦,?？?王緒明紅外光譜在有機化學(xué)和藥物化學(xué)中6]王崇臣,王鵬聚乙烯鋁塑復合包裝材料的一種回收與利用技術(shù)[北京建筑工程學(xué)院學(xué)報,2005,21(4):63-64中國煤化工研究[D]南京:南京工業(yè)[7]唐翔復合軟包裝材料的性能研究[D].南京:南京林業(yè)大學(xué)CNMHG21]武恭姚良均李震夏,等鋁及鋁合金材料手冊[M]北京:科[8]孟憲文利樂(lè )無(wú)菌包裝產(chǎn)品加熱方法的研究[]包裝工程,學(xué)出版社,19942007(2):5254.(責任編輯:孫彩萍)