一次性口罩的热裂解与挥发物的反应研究

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自2019年12月以来,为了对抗新型冠状病毒肺炎疫情(COVID-19),国内外产生了大量废弃一次性医用口罩。口罩在自然界中难以降解,造成了很大的环境污染,对废弃口罩进行有效回收处理在全世界范围引起了广泛关注。口罩由无纺布、耳带、鼻梁条三部分组成,其中无纺布的占比最大,其主要成分是聚丙烯。热裂解是聚丙烯转化为小分子燃料油的常用方法,对热裂解挥发物进行催化裂解可以提高气体产物收率,降低液体产物收率,改善产物组成。本文在立式二段控温固定床反应器中研究了一次性废弃医用口罩的热裂解行为及热解挥发物的催化裂解行为,考察了反应温度(400-580℃)、反应时间(10 s-30 min)、催化剂种类对气体、液体、固体产物收率及气液产物组成的影响,其中四氢呋喃(THF)可溶物定义为液体产物,正己烷可溶物称为油。本文评价的催化剂包括常见的氧化物催化剂(Fe2O3、Al2O3、Ce O2、kaolin、Ti O2)、分子筛催化剂(SAPO-11、Mordenite、β(25H)、β(60H)、HZSM5、HY)、生物焦。得到了如下结论:(1)热裂解温度为400℃时,口罩裂解反应不充分;热裂解温度高于440℃、反应时间超过1 min,则气体与液体收率的变化较小。因此,口罩最佳裂解条件为440℃和1 min,此时固体产物收率为1.9wt.%,气体产物收率为23.4 wt.%,液体产物收率为74.7 wt.%(其中油收率为42.1 wt.%)。气体产物均为有机气体,其中收率最高的是戊烯与戊烷,其次是丙烯与丁烯;液体产物为烷烃、烯烃、二烯烃的混合物,30%左右的液体产物碳数为C6-C35,70%左右为残留在气相色谱柱中的C36-C70(柱残留);其中收率最高的为C15。口罩的三部分在热裂解时几乎没有相互作用。(2)本文研究的所有催化剂对口罩挥发物的裂解有一定催化作用,氧化物催化剂中催化效果最好的是Ti O2,与无催化剂时相比,在440℃时气体产物收率增加了15.0 wt.%左右,柱残留降低了15.3 wt.%,其催化效果好与其孔径较大有关;分子筛催化剂中催化效果最好的是HY与β(60H),与无催化剂时相比,440℃的气体产物收率分别增加了18.4wt.%与19.7 wt.%,柱残留均降低了11.0 wt.%左右,C6-C35收率均降低了8.0 wt.%左右;生物焦作为催化剂时,催化效果不明显。(3)挥发物裂解温度显著影响其裂解程度,580℃、无催化剂时,气体产物收率高达76.7 wt.%,柱残留低至15.3 wt.%;以HY为催化剂时,580℃时气体产物收率增加至82.5 wt.%,液体产物收率降低至14.4wt.%,其中柱残留降低至9.9 wt.%,C6-C35收率降低至4.4 wt.%;以β(60H)为催化剂时,580℃气体产物收率增加至86.5 wt.%,液体产物收率降低至10.2 wt.%,其中柱残留降低至4.9 wt.%,C6-C35收率降低至5.3wt.%,β(60H)的催化效果略优于HY。
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