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.6,208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,北京10084摘要:利用熱重-差熱-傅立葉變換紅外光講聯(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 C ,最大失重速率出現在470-475 C;產(chǎn)物中主要是-C-C- -以及少量的一C一C- -與芳香烴;反應溫度由50 C升至850 C ,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312.4~363.2C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;傅文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, YA0 Yuan, LIU Fu-qiang, NIE Yong fengDepartment of Environmental Science and Engineering, Teinghua University, Beijing 100084, ChinaAbstract: Pyrolysis properties of ahuminum- plastic package waste were studied by Thermno gravimetric analyeis- Diferential thernal analyeis-Fourier transform infrared spectroecopy (TC-DTA-FTTR) . The results indicated that the pyrolysis reaction mainly ocurred at 438-500 C, andthe maximum weight loss rate was observed at 470-475 C，The main pyrolyeis products were - -C- -C-，一-C- -C- and Bromatichydrocarbon. The thermal proceas included four phases: PE meling and sfening, PE pyrolysis, and aluminum melting when the temperatureincreased from 50 C to 850 C. As for the aluminum-plastic wastle containing paper, 8 new weighit loss process was observed at thetemperaturebetween 312.4-363.2 C , and the thermal process was more complex at higher temperature.Key words; aluminum plastic package waste; prolysis propertie; Thermo garinticiferenial thermal analysis; Fourier transform infraredspectoscopy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)(46) ,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0.1%左右”,絕收效果,但回收的鋁中總殘留部分PE,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1248 ,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[9] ;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索.法都難以分離鋁塑[0].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):①將廢物整體因此,通過(guò)熱解1241)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1511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影響,以期為提高鋁塑包裝廢物熱解技術(shù)的適用性基金項目:國家“+一五"科技支撐計劃項目(2006BAC02A13)作者簡(jiǎn)介:宋薇(1978 - ),女，山東資南人，博士研究生，以及熱解工藝、設備的開(kāi)發(fā)提供理論依據.8ong- wo4 @ mails. tsinghus . edu .cn.1材料與方法，責任作者.岳東北(1978-),男,吉林榆樹(shù)人,助理研究員,博士,研1.1試驗材料究方向為固體廢物處理處置與資源化技術(shù)yuedb@ wingu. edu.cn96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紙種鋁塑復合包裝,其中利樂(lè )包裝選取250 mg蒙牛純牛奶包裝,康美包裝選取匯源真果汁包裝.紙鋁塑鋁量1.1.2材料制備聚乙烯紙II■金局鋁.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Al 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 C的NaOH溶液(質(zhì)量分數為213- -2003)標準測定,所用儀器為Parr 1281型氧彈1%)1 h,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 C下干燥24 h,除去水分,結為CE-440型元素分析儀(美國EAI公司).表1中構變化見(jiàn)圖1.將鋁塑材料破碎至尺寸小于1 mmx的揮發(fā)分代表物質(zhì)中有機物;灰分代表物質(zhì)中惰性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1.1.3鋁塑材料的性 質(zhì)殘留物;鋁塑中的元素主要有C,H,N與Al,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,Al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0,故無(wú)法得到Al工業(yè)分析方法》(GB/T212- 2001 )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.餐1樣品性質(zhì)分析Table 1 Characteristics of paper-aluminum-plastics material samplew/%熱值/項目揮發(fā)分灰分固定碳HA (kJkg')24.930.6365.4911.000.3123.2041 714利樂(lè )84.5711.523.9143.358.20.1346879康美鋁塑19.090.368.9711.930.3618.7443 6531.2 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).1.2.1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-紅外聯(lián)用儀系統(TG - DTA -出現在438 ~ 500 C,由材料組成可知,為PE熱解失FTIR)由德國NETZSCH 公司的STA 409C型熱重差重所致.相應地,在DTG曲線(xiàn)上僅在475.3 C處有熱分析儀和美國Nicolet公司的NEXUS670型傅立葉一失重峰,最大失重速率為18.23 %/C.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71.27%,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1.2.2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Al的含量.氣流速及微量樣品的試驗條件.樣品質(zhì)量為(25.00土2.1.2 IR 譜圖圖3為最大失重速率出現時(shí)刻的IR圖.由圖30.02)mg;升溫50 ~ 850 C ,終溫保持10 min,升溫速率為10 C/min;氣體吹掃速度100 mL/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,此為一C一C一特征峰[419].波數為3010~1.1 熱解過(guò)程3 040,1 640~ 1 680,675~ 1 000 cm~'的吸收峰歸屬2.1.1 TG- DTG- DTA曲線(xiàn)于- C∞C- -;3 000~3 100,1 450~ 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:鋁塑包裝度物的熱解特性研究9700--0.640100200300400500600700800溫度/心溫度/C .溫度/C(a) TG(b) DTG(C) DTA圄2利樂(lè )鋁塑材料熱解的TG- DTG- DTA曲線(xiàn)Fig.2 TC-DTC-DTA curves of Tetra pak aluminum plasie 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)061ξE&E在660c[n1左右,據此推測,此時(shí)可能發(fā)生了鋁的熔融吸熱;④731.1C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Al與殘渣中的某些物質(zhì)，0.2主要是焦狀物發(fā)生了吸熱反應.4000 ? 35003000 25002000 15001000 5002.2影響因素波數/em-!2.2.1物料性質(zhì)圈3475.3 C時(shí)鋁塑材料熱解產(chǎn)物的IR譜圉圖4為10C/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- plastie malerial at 475.3 C比圖2,4,利樂(lè )、康美2個(gè)樣品的變化趨勢極為相2.1.3 DTA 曲線(xiàn)似:最大失重峰出現的溫度相近,均在470~475 C;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110C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[°0);②482.3 C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;③655.6C附近出現吸熱峰,的PE含量(揮發(fā)分表征)較高所致.1008004 60N^200020030040050060007008001002003004005006007008001) TG圖4康美鋁塑材料熱解的TG- DTG- DTA曲絨Fig.4 TC-DTC-DTA curves of SIC Combibloe aluninum plstic materials at pyrolysis表2鋁塑材料熱解的特性參數Table 2 I Parameters for aluminum plastic material pyrolysis反應條件T.n/CTmu/C/C最大失重速率/[%.(C)-1]總失重率1%利樂(lè )鋁塑(N2)3850018.2371.27康關(guān)鋁塑(N2)451.022.0181.36利樂(lè )紙鋁塑”312.4(443.1)363.2(498.6)341. 3(476.0)9.83(12.41)81.201)因利樂(lè )紙鋁塑有2個(gè)失重過(guò)程.故Teane,Tmus. 和最大失重速率均對應2個(gè)值.生:Tmn,Tu和7_.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.98環(huán)境科學(xué)研究第21卷2.2.2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- -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 C與810.0 C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TC- DTG曲線(xiàn)在312.4-363.2 C出現一失程還需進(jìn)- -步 探討.1000.2of之-0.6城明-0.8-1002003004005006007008001020030040050000700800度Ca)TG(b) DTG(C) DTA圈5紙鋁塑材料熱解的 TG- DTG- DTA曲線(xiàn)Fig.5 TC-DIC DTA curves of paper aluminum platice material at pyrolysis3結論[9]赫恩南德效,塞爾克,卡爾特爾. 塑料包裝:性能、加工、應用、條例[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,004.a.鋁塑熱解主要發(fā)生于438~ 500 C;最大失[10]趙罐,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 C;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 -C- -以(3);18-20.及一定量的一C一C一與芳香烴.[11]劉雙全,于文錦， 張利.PE度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 C)的熱反[J].化學(xué)工程師,002,91(2) :60-62.[12] Ayhan D. Prolysis of municipal plartie wastes for recovery of應分為4個(gè)階段,依次為PE熔融軟化、熱解,鋁熔gaoline-range hydrocurbons[J]. Joumal of Analytical and Applyied融，鋁與焦狀物反應.Prolyis 2004,72:97-102.c.當鋁塑廢物中含有紙質(zhì)時(shí),在312.4 ~[13] Bockhorm H, Hentschel J, Horoung A, a al. Enironmental363.2C增加--紙質(zhì)的熱失重過(guò)程，最大失重速率engineering stepwise pyrolyaia of plastic waste [J]. Chemical出現于341.3 C;同時(shí),高溫時(shí)鋁與焦狀物的反應更Enginering Science, 199 ,54:3034-3051.[14] Synum L, Gnali M G, Huntad J E. Prolyis characteristics and為復雜.kineties of muricipl eolid wste]Ful.200 ,8:1217-122參考文獻(References) :[15] HeilkinerJ M, Hordijik 1 C. Thermogravimety 幽a tol to cassily[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 componente to be uned for energy generaion[J]. Jounal of2007 (5):67-69.Analyial and Aplied Poyyy2004710883-00.02]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, Mareilla A, Font R. Thermograrimetie kinetie study of物的生命周期分析[]環(huán)境科學(xué)研究,005, 18(增刊);10-12.the pyrolypis of municipal! wolid weste [J]. Thermochinica Acta,3]張進(jìn)鋒,聶水豐 .垃圾處理領(lǐng)城的技術(shù)發(fā)展和啟示[],環(huán)境科995254.277-304.學(xué)研究,06,6 19(1):57-63.[17] Robert M S,rmncis x w. Darid J K. Sproonere deificion of[4]楠樂(lè ).利樂(lè )環(huán)保從頭至尾由里及外[N].中國包裝報, 2005orpanie compounds[ M]. Shanghai: Eant China Univenaity of Science(4);18.and Technology Pes,2006.[5]顧幗華,張波.含 鋁廢塑料的鋁塑分離研究[J].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199.2007 ,27(5):47-50. .[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的應用[M].北京:科學(xué)出版社,2001.術(shù)[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報2005,21(4):63-64.[20]纓春鳳.煤與塑料共熱解 的試驗室研究[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)，大學(xué),004.2006.[21]武恭,姚良均,李展夏,等.倡及鋁合金材料手冊[M].北京:科[8] 孟堯文.利樂(lè )無(wú)菌包裝產(chǎn)品加熱方法的研究[J].包裝工程, .學(xué)出版社1994.2007 (2):52-54.(責任編輯:孫彩萍)