铝塑包装废物的热解特性研究

环境科学研究第21卷第6期Research of Environmental SciencesvoL.21,No.6,2008铝塑包装废物的热解特性研究宋薇,岳东北‘,刘建国,姚远,刘富强,聂永丰清华大学环境科学与工程系,北京100084摘要:利用热重-差热-傅立叶变换红外光谱联用仪对铝塑包装废物热解特性进行分析,并对物料性质、纸质存在对热解过程的影响进行研究,结果表明:铝塑包装废物热解主要发生于438-500℃,最大失重速率出现在470-475℃;产物中主要是C一以及少量的一C一C—与芳香烃;反应温度由50℃升至850℃,铝塑包装废物依次经历聚乙烯熔融软化、热解,铝熔融铝与焦状物反应等过程;铝塑包装废物中含纸质时,在3124~363.2℃增加了一个失重过程,同时高温时的热解反应更为复杂关键词:铝塑包装废物;热解特性;热重-差热分析;傅立叶变换红外光谱中图分类号:X79文献标志码;A文章编号: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铝塑包装废物是在牛奶、果汁等食品消费同时此,分离回收技术已成为铝塑包装废物资源化技术的产生的一类由铝、聚乙烯( Polyethylene,PE)及纸质主要研究方向.纵观各分离技术4),虽然粉碎筛分、构成的废物,具有回收价值高、产生量大的特点.目化学溶剂处理与水力分解技术均有较好的纸去除回前铝塑包装废物回收利用率仅为01%左右,绝收效果,但回收的铝中总残留部分P,严重降低了铝大多数混入生活垃圾,以填埋或焚烧方式处理,造成的纯度与应用价值.究其原因,铝塑包装生产中使用了极大的资源浪费与严重的环境问题2.除去管理热压合工艺1,致使铝与黏附其上的塑料结合紧制度上的不足缺乏高效的回收利用技术是实现密;再加之PE耐酸碱特性,因此一般的物理化学方该类废物资源化的主要制约因素法都难以分离铝塑.PE具有热稳性差的特点铝塑包装废物回收技术可分2类:将度物整体因此,通过热解B叫可使塑料发生反应析出,而铝则直接加工成板材,但存在产品附加值低及品质不稳定仍保持原有性态,以此实现铝塑分离等问题;②将废物中的纸、铝和PE先分离,再分别加笔者在铝塑包装废物组成分析的基础上,采用以利用,可充分利用再生资源,产品附加值较高.因热重-傅立叶变换红外光谱联用仪对热解过程进行全面分析,并研究了物料性质纸质2种因素的收稿日期:2008-07-17修订日期:2008-08-28基金项目:国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAC02A13)影响中国煤化工解技术的适用性作奢简介:宋薇(1978-),女,山东济南人,博士研究生,以及芹论依据CNMHG實任作者,岳东北(1978-),男,吉林榆树人,助理研究员,博士,研究方向为固体废物处理处置与资源化技术, yuedb@ tsinghua. ed,cm1.1试验材料环境科学研究第21卷1.1.1材料选取铝塑材料取自目前应用最广泛的利乐与康美2种铝塑复合包装,其中利乐包装选取250mg蒙牛纯感图牛奶包装,康美包装选取汇源真果汁包装纸铝塑11.2材料制备s秉乙烯圖纸金属铝通过预处理去除铝塑材料中的外层PE与纸,图1纸铝塑与铝塑材料结构示意图剩余金属A及黏附其上的PE.预处理步骤为:①浸Fig.1 Structure diagram of paper-aluminum-plastics material泡.将原材料置于90℃的NaOH溶液(质量分数为213-2003)标准测定,所用仪器为Par181型氧弹1%)1h,以使纸层外的聚乙烯脱离.②刷洗去纸.量热仪(美国PARR公司);C,H与N的含量依据《煤利用刷子将纸层刷干净,得到铝塑材料.将铝塑材的元素分析方法》(GB/T476-2001)测定,所用仪器料置于鼓风干燥箱105℃下干燥24h,除去水分,结为CE-440型元素分析仪(美国EA公司).表1中构变化见图1.将铝塑材料破碎至尺寸小于1mmx的挥发分代表物质中有机物;灰分代表物质中情性1mm屑状,待用物质;固定碳为有机质经隔绝空气加热分解得到的11.3铝塑材料的性质残留物;铝塑中的元素主要有C,H,N与A,而元素铝塑材料与纸铝塑材料性质分析数据如表1所分析仪只能测出前3种元素,A含量则由减量法得示,其中挥发分、灰分与固定碳等含量依据《煤的到但由于纸铝塑材料中还含有O,故无法得到A工业分析方法》(GB/T212-200)标准测定,所用仪含量,由表1可知,铝塑废物中挥发分含量较高,相器为SX2型箱式电阻炉(上海浦东荣丰科学仪器有应热值也较高,表明铝塑废物可资源化潜力较大,适限公司);热值依据《煤的发热量测定方法》(GB/T宜采用热处理方法衰1样品性质分析Table 1 Characteristics of paper-aluminum-plastics material samples热值项目固定碳AI (kJ.kg")74,4424.930.31利乐11.0041714纸铝塑康美铝塑80,5568.97l1.930.3618.7412试验仪器及操作方法热解过程的热重-微商热重-差热曲线(见图2).12,1试验仪器由图2(a)可知,在TG曲线上只有1个热失重平台,热重一差热一红外联用仪系统(TG-DTA-出现在438-500℃,由材料组成可知,为PE热解失FTIR)由德国 NETZSCH公司的STA409C型热重差重所致.相应地,在DG曲线上仅在4753℃处有热分析仪和美国 Nicolet公司的 NEXUS70型傅立叶失重峰,最大失重速率为18.23%/℃.整个过程变换红外光谱联用仪组成试验过程中同时记录热的总失重率为n1.27%,略低于样品工业分析中挥重-微商热重-差热曲线(TG-DTG-DTA)和红外发分含量(74.44%).此外,因残渣中含有一定量的光谱图(IR)固定碳,由TG曲线得到的残留率(28.73%)高于元122操作方法为消除传热和扩散影响,采用低升温速率、大载素分析中A的含量气流速及微量样品的试验条件,样品质量为(2500±2.12IR谱图002)mg;升温50~850℃终温保持10mn,升温速率图3为最大失重速率出现时刻的I图.由图3为10℃/min;气体吹扫速度100ml/min;氮气气氛可知,在波数2800~3000cm的吸收峰表现最为2结果与讨论明显中国煤化工.波数为30102.1热解过程3CN MH Gm的吸收峰归属211TG-DTG-DTA曲线于一C=C-;3000~3100,1450~1600,680~880以利乐包装为例,分析铝塑材料在氮气气氛下cm的吸收峰则表明了芳香烃的存在第6期宋薇等:铝塑包装废物的热解特性研究哥被水温度/℃c温度rc温度℃C(b)DTG图2利乐铝塑材料热解的TG-DTG-DA曲线Fig 2 TG- DTG-DTA curves of Tetra pak aluminum-plastic material at pyrolysis但相应温度的TG曲线不发生变化,鉴于铝的熔点在60℃左右,据此推测,此时可能发生了铝的熔04融吸热;④731.1℃附近出现吸收峰时,该温度处的TG上未发生变化,估计是A与残渣中的某些物质,主要是焦状物发生了吸热反应003000250020001500122影响因素波数/em22.1物料性质图34753℃时铝塑材料热解产物的IR谱图图4为10℃/min升温速率下康美包装样品热解Fig 3 Infrared spectrum of pyrolysis products of的TG-DTG-DTA曲线,特性参数如表2所示,对aluminum-plastic material at 475. C比图2,4,利乐、康美2个样品的变化趋势极为相213DTA曲线似:最大失重峰出现的温度相近,均在470~475℃;由图2(c)可知,DTA曲线出现4个吸热峰:①而起始反应时间略有差异,这可能是由于组成差异10℃处有一小吸热峰,而此时TG曲线不发生变引起传热传质效率不同所致,但是,二者的总失重化这可能是PE发生了由固态到熔融状态的相变率及最大失重速率相差较大康美铝塑的总失重率吸热反应;②4823℃处出现最大吸热峰,对应与失重速率明显高于利乐铝塑,这主要源于康美中于PE热解吸热反应;⑧6556℃附近出现吸热峰,的PE含量(挥发分表征)较高所致0如则如如如如12如4如mo“0如40sa6oos温度rt温度广温度f℃(a)TG(e)DTA图4康美铝塑材料热解的TG-DTG-DA曲线Fig 4 TG-DTG-DTA curves of SIG Combibloc aluminum-plastic materials at pyrolysis表2铝塑材料热解的特性参数Table 2 Parameters for aluminum-plastic material pyrolysis反应条件T/℃/℃中国煤化工总失重第利乐铝塑(N475.371.27康美铝塑(N2)451,0477.5CNMHG81.36利乐纸铝塑3124(44.1)363,2(4986)341.3(4760)1)因利乐纸铝塑有2个失重过程故T,T,T和最大失重速率均对应2个值注:T=,T。和T分别为铝塑材料热解反应的起始温度、结束温度和最大失重峰对应温度环境科学研究第21卷222纸质的影响重过程,对应于纸质的热解反应;此外,在DTA曲线考虑在实际应用时,纸铝塑中的纸不能同实验中,除增加纸质热解吸热峰外,在高温区的吸热峰也室操作一样完全去除,不可避免地会有少量纸质残明显不同,分别在721.3℃与810.0℃出现2个峰,留其中,通过比较铝塑与纸铝塑的热解过程(见图这可能是由于纸质存在时热解产生的焦状物增加,5),分析纸质对铝塑热解的影响.较之铝塑热解,纸从而对铝与焦状物的反应产生影响.具体的反应过铝塑的TG-DTG曲线在3124-363.2℃出现一失程还需进一步探讨100迟哥碱水0800300400500600700800温度℃C温度(b)DTG(c)DTA图5纸铝塑材料热解的TG-DTG-DTA曲线Fig. 5 TG-DTG- DTA curves of paper- aluminum-plastic material at pyrolysis3结论[9]赫恩南德兹塞尔克,卡尔特尔塑料包装:性能加工、应用a.铝塑热解主要发生于438~500℃;最大失条例[M],北京:化学工业出版社,2004[10]赵曜赵延伟邝贤锋,等塑料包装废弃物在城市垃圾中的含重速率出现在470~475℃;总失重率与其组成性质量及其危害性分析[J].广东轻工职业技术学院学报,2006中挥发分含量相近;热解产物中主要是一C一C一以(3):18-20及一定量的一C-C一与芳香烃[1]刘双全,于文锦,张利.PE废塑料热解油化中催化剂的研究b.铝塑废物由低温到高温(50~850℃)的热反[].化学工程师,2002,91(2):6062应分为4个阶段,依次为PE熔融软化、热解,铝熔[12] Ayhan D, Pyrolysis of municipal plastic waste for recovery ofine-range hydrocarbons[J]. 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