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

文章來源：Waste Management廢物管理微信公眾號

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,、常見塑料、木竹一同處置,，而與橡膠,、紙張、紡織品一起焚燒會加劇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,，在現(xiàn)今制造業(yè)占據(jù)重要地位,。光固化塑料10年預(yù)測期的復(fù)合年增長率高達(dá)17%，是2022-2027年期間常見塑料年復(fù)合年增長率的3.32倍,，隨之而來的光固化廢物（PCW）產(chǎn)量也增長迅猛,，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)量的增加是否會增添環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),，亟需探明。且隨著垃圾分類的推進(jìn),，PCW與MSW中不同可燃組分在焚燒處置過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)過程的熱失重階段以及熱失重過程揮發(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單的有機(jī)和無機(jī)分子,，失重率可達(dá)到80%；

495-700℃：燃盡階段,。

圖1 PCW焚燒過程TG-DTG曲線

圖2 PCW焚燒過程FTIR曲線

PCW焚燒過程生成的揮發(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焚燒過程揮發(fā)性產(chǎn)物組分

通過管式爐實(shí)驗(yàn)對PCW進(jìn)行焚燒條件的氧化實(shí)驗(yàn),，通過改變焚燒溫度得到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,，會對環(huán)境造成污染,；

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

圖3 PCW與常見塑料焚燒產(chǎn)物組分對比

2. PCW隨MSW焚燒處置產(chǎn)物特性

結(jié)合目前PCW未有針對性處置或回收辦法,，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)物組分對比

（a）紙類，（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)物組分對比

（a）廚余垃圾,，（b）常見塑料，（c）木竹

結(jié)論

PCW相較于常見塑料,，其原料組成氧元素相對較高,，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,、常見塑料和木竹一同焚燒處置生成的灰分組分相對清潔,；與橡膠、紙張和紡織品一同焚燒則會加劇PAHs的生成和釋放,。


作者簡介

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