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.6,208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,北京10084摘要:利用热重-差热-傅立叶变换红外光讲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 C ,最大失重速率出现在470-475 C;产物中主要是-C-C- -以及少量的一C一C- -与芳香烃;反应温度由50 C升至850 C ,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312.4~363.2C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;傅文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, 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(46) ,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0.1%左右”,绝收效果,但回收的铝中总残留部分PE,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1248 ,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[9] ;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索.法都难以分离铝塑[0].PE具有热稳性差的特点",铝塑包装废物回收技术可分2类:①将废物整体因此,通过热解1241)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1511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影响,以期为提高铝塑包装废物热解技术的适用性基金项目:国家“+一五"科技支撑计划项目(2006BAC02A13)作者简介:宋薇(1978 - ),女，山东资南人，博士研究生，以及热解工艺、设备的开发提供理论依据.8ong- wo4 @ mails. tsinghus . edu .cn.1材料与方法，责任作者.岳东北(1978-),男,吉林榆树人,助理研究员,博士,研1.1试验材料究方向为固体废物处理处置与资源化技术yuedb@ wingu. edu.cn96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纸种铝塑复合包装,其中利乐包装选取250 mg蒙牛纯牛奶包装,康美包装选取汇源真果汁包装.纸铝塑铝量1.1.2材料制备聚乙烯纸II■金局铝.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Al 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 C的NaOH溶液(质量分数为213- -2003)标准测定,所用仪器为Parr 1281型氧弹1%)1 h,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 C下干燥24 h,除去水分,结为CE-440型元素分析仪(美国EAI公司).表1中构变化见图1.将铝塑材料破碎至尺寸小于1 mmx的挥发分代表物质中有机物;灰分代表物质中惰性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1.1.3铝塑材料的性 质残留物;铝塑中的元素主要有C,H,N与Al,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,Al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0,故无法得到Al工业分析方法》(GB/T212- 2001 )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.餐1样品性质分析Table 1 Characteristics of paper-aluminum-plastics material samplew/%热值/项目挥发分灰分固定碳HA (kJkg')24.930.6365.4911.000.3123.2041 714利乐84.5711.523.9143.358.20.1346879康美铝塑19.090.368.9711.930.3618.7443 6531.2 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).1.2.1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-红外联用仪系统(TG - DTA -出现在438 ~ 500 C,由材料组成可知,为PE热解失FTIR)由德国NETZSCH 公司的STA 409C型热重差重所致.相应地,在DTG曲线上仅在475.3 C处有热分析仪和美国Nicolet公司的NEXUS670型傅立叶一失重峰,最大失重速率为18.23 %/C.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71.27%,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1.2.2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Al的含量.气流速及微量样品的试验条件.样品质量为(25.00土2.1.2 IR 谱图图3为最大失重速率出现时刻的IR图.由图30.02)mg;升温50 ~ 850 C ,终温保持10 min,升温速率为10 C/min;气体吹扫速度100 mL/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,此为一C一C一特征峰[419].波数为3010~1.1 热解过程3 040,1 640~ 1 680,675~ 1 000 cm~'的吸收峰归属2.1.1 TG- DTG- DTA曲线于- C∞C- -;3 000~3 100,1 450~ 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:铝塑包装度物的热解特性研究9700--0.640100200300400500600700800温度/心温度/C .温度/C(a) TG(b) DTG(C) DTA圄2利乐铝塑材料热解的TG- DTG- DTA曲线Fig.2 TC-DTC-DTA curves of Tetra pak aluminum plasie material at pyrolysis但相应温度的TG曲线不发生变化，鉴于铝的熔点061ξE&E在660c[n1左右,据此推测,此时可能发生了铝的熔融吸热;④731.1C附近出现吸收峰时，该温度处的TG上未发生变化,估计是Al与残渣中的某些物质，0.2主要是焦状物发生了吸热反应.4000 ? 35003000 25002000 15001000 5002.2影响因素波数/em-!2.2.1物料性质圈3475.3 C时铝塑材料热解产物的IR谱圉图4为10C/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- plastie malerial at 475.3 C比图2,4,利乐、康美2个样品的变化趋势极为相2.1.3 DTA 曲线似:最大失重峰出现的温度相近,均在470~475 C;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110C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[°0);②482.3 C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;③655.6C附近出现吸热峰,的PE含量(挥发分表征)较高所致.1008004 60N^200020030040050060007008001002003004005006007008001) TG图4康美铝塑材料热解的TG- DTG- DTA曲绒Fig.4 TC-DTC-DTA curves of SIC Combibloe aluninum plstic materials at pyrolysis表2铝塑材料热解的特性参数Table 2 I Parameters for aluminum plastic material pyrolysis反应条件T.n/CTmu/C/C最大失重速率/[%.(C)-1]总失重率1%利乐铝塑(N2)3850018.2371.27康关铝塑(N2)451.022.0181.36利乐纸铝塑”312.4(443.1)363.2(498.6)341. 3(476.0)9.83(12.41)81.201)因利乐纸铝塑有2个失重过程.故Teane,Tmus. 和最大失重速率均对应2个值.生:Tmn,Tu和7_.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.98环境科学研究第21卷2.2.2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- -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 C与810.0 C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TC- DTG曲线在312.4-363.2 C出现一失程还需进- -步 探讨.1000.2of之-0.6城明-0.8-1002003004005006007008001020030040050000700800度Ca)TG(b) DTG(C) DTA圈5纸铝塑材料热解的 TG- DTG- DTA曲线Fig.5 TC-DIC DTA curves of paper aluminum platice material at pyrolysis3结论[9]赫恩南德效,塞尔克,卡尔特尔. 塑料包装:性能、加工、应用、条例[M].北京:化学工业出版社,004.a.铝塑热解主要发生于438~ 500 C;最大失[10]赵罐,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 C;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 -C- -以(3);18-20.及一定量的一C一C一与芳香烃.[11]刘双全,于文锦， 张利.PE度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 C)的热反[J].化学工程师,002,91(2) :60-62.[12] Ayhan D. Prolysis of municipal plartie wastes for recovery of应分为4个阶段,依次为PE熔融软化、热解,铝熔gaoline-range hydrocurbons[J]. Joumal of Analytical and Applyied融，铝与焦状物反应.Prolyis 2004,72:97-102.c.当铝塑废物中含有纸质时,在312.4 ~[13] Bockhorm H, Hentschel J, Horoung A, a al. Enironmental363.2C增加--纸质的热失重过程，最大失重速率engineering stepwise pyrolyaia of plastic waste [J]. Chemical出现于341.3 C;同时,高温时铝与焦状物的反应更Enginering Science, 199 ,54:3034-3051.[14] Synum L, Gnali M G, Huntad J E. Prolyis characteristics and为复杂.kineties of muricipl eolid wste]Ful.200 ,8:1217-122参考文献(References) :[15] HeilkinerJ M, Hordijik 1 C. Thermogravimety 幽a tol to cassily[1]赵素芬.复合软包装材料回收利用研究进展[].包装世界, .waste componente to be uned for energy generaion[J]. Jounal of2007 (5):67-69.Analyial and Aplied Poyyy2004710883-00.02]李丽 ,杨健新,王琪.我国包装废物回收利用现状及典型包装[16] Garcia A N, Mareilla A, Font R. Thermograrimetie kinetie study of物的生命周期分析[]环境科学研究,005, 18(增刊);10-12.the pyrolypis of municipal! wolid weste [J]. 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