城镇有机垃圾热解生物炭理化性质研究

摘要

城镇有机垃圾热解生物炭,具有高度发达的孔隙结构及稳定的芳香结构,通过热解将城镇有机垃圾中的碳源固定在生物炭中,再对生物炭进行土地处理,生物炭结构稳定,自然条件下氧化速率缓慢,整个处理系统可以削减城镇有机垃圾这个巨大碳源向大气的转化速度,而且生物炭也可以对土壤理化特性进行一定的调节。论文以不同组分城镇有机垃圾(纸屑、厨余、竹木、布织物、塑料以及他们间混合的不同组分)为研究对象,研究热解条件(热解终温500℃、600℃、700℃、800℃)对形成的生物炭理化性质的影响,分析生物炭理化性质与热解条件的相关关系,以期得到孔隙结构发达、芳香稳定化程度高的生物炭的热解条件。通过实验,得出以下的研究结论:
　　①随热解终温的升高,竹木、厨余、布织物热解的生物炭,孔隙结构越发达,表现出比表面积(800℃竹木、厨余、布织物热解生物炭比表面积分别为430.65m2/g、82.38m2/g、361.20m2/g)、微孔体积逐渐增大(800℃竹木、厨余、布织物热解生物炭微孔体积分别为0.145cm3/g、0.025cm3/g、0.130cm3/g)和平均孔径逐渐减小(800℃竹木、厨余、布织物平均孔径分别为2.36nm、3.55nm、2.42nm);纸屑、塑料组分随热解终温的升高,生物炭的比表面积及微孔体积出现先升后降的规律,纸屑在700℃孔隙结构最为发达,比表面积(218.07m2/g)、微孔体积最大(0.085cm3/g),平均孔径最小(2.10nm);塑料在600℃,孔隙结构最为发达(生物炭比表面积7.68 m2/g、微孔体积0.00064cm3/g、平均孔径8.10nm)。厨余、塑料单组份的生物炭的孔隙结构不如竹木、布织物、和纸屑的好,尤其是塑料,比表面积要低近一个数量级;随热解终温的升高,混合五组分垃圾炭的孔隙结构总体表现为越来越发达。
　　②厨余、塑料组分对于其余组分交互影响较为明显,这两种组分对于其余三种组分孔隙结构的形成影响较大;布织物、竹木、纸屑三种组分,结构相似,在共热解成炭的过程中,反应较为独立,三者之间交互影响较少。
　　③混合垃圾炭700℃时H/C最小,O/C和(N+ O)/C最大,该终温条件下,垃圾炭芳香性最强,极性、亲水性最强。
　　④厨余、布织物、塑料、纸屑、竹木单组份以及混合垃圾热解的生物炭呈弱碱性,五种单组份中,厨余炭的pH值最高,塑料炭 pH值最低;五个单组份以及混合垃圾热解的生物炭的pH值均随热解终温升高而增加。
　　⑤各种单组份热解炭中含有芳香烃基团、羟基、羧基、醚键等官能团,塑料炭中由于PVC中的Cl部分固定于生物炭中,生物炭上也存在C-Cl基团,厨余原料中含有磷酸盐成分,在生物炭的灰分中也存在磷酸盐的富集,红外谱图中出现明显 P-O键振动吸收峰;单组份热解炭的芳香性随温度变化情况为:纸屑、布织物、厨余组分随热解终温升高,生物炭芳香性逐渐增强,而竹木组分芳香性随终温升高,芳香性减弱,塑料炭的芳香性随热解终温的升高,芳香性先增强,后减弱,混合垃圾炭的芳香性随温度升高呈现逐渐增强的现象;含氧官能团如羟基、羧基等,随温度升高逐渐消失;含有纤维素的组分与塑料组分混合后,会催化塑料中HCl的释放,使得残留在炭中的Cl元素含量减少。