单位文秘网 2021-07-22 08:15:56 点击: 次
工业的快速发展伴随着各种涂料的大量使用,然而未用完的涂料及涂料废渣随意倾倒、堆放给环境带来巨大压力。由于一般涂料具有可燃性、毒性及腐蚀性,因而会危害人类和动植物。焚烧作为处理涂料及其废渣的技术之一,以其有效破坏危险性,达到减量化、无害化、资源化的目的,成为应用较多的热点技术。本文通过对一种常用涂料废渣的热解特性进行热重分析,得到了涂料废渣在不同工况下的热解特性,为处理类似危险废弃物提供了理论依据。
关键词:涂料废渣;热解;TG-DTG
1前言
由于涂料本身具有可燃性、反应性,可能引发火灾或爆炸,因此必须进行妥善的贮存和处理。而具有毒性、腐蚀性则会对人畜的健康造成长时间的危害,而且这种危害具有长期性和潜伏性。同时它们还可以通过雨、雪等形式渗透污染地下水和土壤,或由地表径流的冲刷污染江河湖海,从而造成长久的难以恢复的隐患和后果。
对于废弃的涂料及其废渣处理方法一直是我国乃至全世界面临的棘手的问题之一。近年来,用热解、焚烧这类热处理方法处理相关废弃物,因具有能够有效破坏废弃物中毒性物质、良好的减容减重效果以及实现资源充分利用等优点而受到研究人员的重视。本文采用从某厂家采集回来的涂料废渣,对样品的理化特性进行了分析,借助热重分析仪对样品的热解特性进行了分析,为寻找这类危险废弃物的合理的处置方法提供了理论依据。
2研究方法
热分析法是研究化学动力学的重要手段之一,使用非常广泛。对于危险废弃物的热解动力学分析,可通过动力学的计算来获得相对简单的反应模型,它可用于焚烧炉的设计和运行操作的参考,一些机理性的变化过程亦可通过表观动力学模型来表征,热分析方法是反应动力学研究的一种有效分析方法。
热重分析法是在程序升温控制下,测量物质的质量变化和温度关系的一种热分析技术。具有定量性强,能准确的测量物质的质按量变化及变化率的特点。只要被分析的物料在受热时发生质量变化,就能用热重法来研究其变化过程,是研究化学动力学的重要手段之一。
热重法实验得到的曲线成为热重曲线(即TG曲线)。TG曲线以质量为纵坐标,从上向下表示质量减少;以温度(或时间)作横坐标,自左至右表示温度(或时间)增加。从热重曲线可以派生出微商热重曲线(DTG曲线),是TG曲线对温度(或时间)的一阶导数。TG与DTG的表达式如下:
TG曲线, 关于X=Y的变化曲线;
DTG曲线,关于X=Y的变化曲线;
其中ωt表示样片在T温度下的质量,ω0表示样品的初始质量。
根据热重分析得到的TG、DTG曲线,能求出各类动力学参数,从而建立研究对象的动力学反应模型,这些对废弃物热特性进行基础研究,实现废弃物资源化、无害化处理都有重要的指导意义,因此热重分析方法在国内外废弃物处理方面得到广泛应用。
2.1实验方法与步骤
2.2.1实验物料
本文选定的实验物料为来自余杭的危险废弃物-裂解物料,工业分析、元素分析见表1、2:
2.2.2实验仪器及方法
实验采用热重分析仪。氮气和空气流量选择60ml/min温度范围在50-950℃之间。反应气分别采用高纯N2 和标准空气来模拟热解和焚烧两种工况;同时在升温速率为30k/min的工况下分别进行试验。由于失重10mg 通常能得到合适的信号,用太多的样品,会得到大的失重而带来的气溶胶的产生,导致基线的漂移,因此本文根据工业分析中各物料的挥发份含量,估算失重量为10mg 选取物料量。
2.2.3热解物料动力学参数的计算方法
热解所用样品的热解过程较为复杂,反应速度是升温速率、加热速率及热解产物的函数,而热解过程又包括许多串行和并行的化学过程,根据化学反应中的质量守恒定律、Arrhrnius方程以及微商法,得出了许多动力学模型。
热解过程中的动力学方程可以表示为
①
其中α是反应过程中某一热解阶段的转化百分率,
②
其中Ms0为热解过程中某一段的初始质量,Ms∞为热解过程中某一段结束时的质量,Ms为这一失重率所对应温度处的样品质量。k是速率常数,服从Arrhenius方程,
③ k= A·exp(-E/RT)
其中A是频率因子,E是表观活化能(J/mo1),R是气体常数(J/K·mol),取值8.314 J/mol* K。f(α)为反应机理函数。对反应动力学方程①进行变换可得到
④
其中β是升温速率。取
⑤
对式⑤用Coats—Redfern法进行化简,并进行分离变量积分整理并取近似值可得到:
⑥ n=1时,
⑦ n≠1时,
由于可以看作常数,对1/T作图能得到一条直线,直线斜率为-E/R,截距为,由此可计算处E和A。
3实验结果
图1、图2为涂料废渣在空气和氮气气氛下,升温速率为30k/min的条件下進行热重实验得到的TG-DTG曲线
图1:涂料废渣在空气气氛下的TG-DTG曲线
图1为涂料废渣在空气气氛,30k/min的升温速率条件下进行热解得到的TG-DTG曲线。从图中可知,物料的热解过程可以分为三个阶段。247℃以下为热解过程中的第一个阶段。在这个阶段,样品会失去表面和内部的水分(样品失重1.8%)。第二阶段位于247-411℃之间,这一阶段是样品的热解阶段,在这一阶段样品失重70.6%。样品在此热解阶段出现了整个热解过程中最大的失重峰,失重峰峰值对应的温度值为367℃。411℃之后为热解的第三阶段,在这一阶段样品的热解过程已经基本完成,样品失重10.8%。整个热解阶段,样品失重量为83.2%。
图2为涂料废渣在氮气气氛,30k/min的升温速率条件下进行热解得到的TG-DTG曲线。从图中可知,物料的热解过程可以分为三个阶段。205-370℃这一段为热解过程中的第一个阶段。在这个阶段,样品失重20.7%,同时,样品在这一热解阶段出现了一个较小的失重峰,峰值所对应的温度为347℃。第二阶段位于370-529℃之间,这一阶段是样品的热解阶段,在这一阶段样品失重55.1%。样品在此热解阶段出现了整个热解过程中最大的失重峰,失重峰峰值对应的温度值为442℃。529℃之后为热解的第三阶段,在这一阶段样品的热解过程已经基本完成,DTG曲线趋于平缓,样品失重仅為1.9%。整个热解阶段,样品失重量为77.7%。
4结语
随着国家的经济发展,需要使用大量的各种涂料,然而废弃的涂料及其废渣给环境也带来了巨大压力。本文以此为背景,开展了针对某涂料废渣的热处置特性分析方法的研究工作。运用热重法对涂料废渣的热特性、动力学参数进行研究分析;将涂料废渣在不同气氛下热解,得到危险废弃物在不同气氛下的迁移规律。
在使用热解方法可以对涂料进行减量化处理时,应注意控制热解后续处理过程的温度,尽量避免二次聚合,使涂料尽量分解为无毒无害的气体。
本文主要结论:①涂料废渣在氮气气氛下展现出了较复杂的失重过程;②涂料废渣在氮气气氛下的失重率要小于在空气氛下的失重率;③利用Coats-Redfern积分法计算各涂料废渣的焚烧表观动力学参数,计算值与实验值拟合较好,可以基本反应物料在各阶段失重过程。
参考文献:
[1]朱江,蒋旭光,刘刚,严建华.池涌回转窑处理危险废弃物技术探讨[J].环境工程,2004,22(5).
[2]严建华,祝红梅,蒋旭光,沈逍江,岑可法.医疗垃圾多组分热解气化特性[J].浙江大学学报(工学版),2008,42(05).
[3]蒋旭光,李春雨,赖彦锷,祝红梅,郑皎,严建华.医疗废弃物典型组分热解过程中产气特性的实验研究[J].化工学报,2009,60(01).
[4]Tzong-Horng Liou,Pyrolysis kinetics of electronic packaging material in a nitrogen atmosphere,Journal of Hazardous Materials,B103 (2003) 107–123
[5]A.López , I. de Marco, B.M. Caballero, M.F. Laresgoiti, A. Adrados,Pyrolysis of municipal plastic wastes: Influence of raw material composition,Waste Management。
(责任编辑:单位文秘网) )地址:https://www.kgf8887.com/show-225-69686-1.html
上一篇:上好高中物理第一课
版权声明:
本站由单位文秘网原创策划制作,欢迎订阅或转载,但请注明出处。违者必究。单位文秘网独家运营 版权所有 未经许可不得转载使用