工业废物微波热解实验研究及其固体产物分析

摘要

在我国，印染行业每年产生大量的印染污泥(DS)。印染污泥成分复杂，含有大量的有害物质，而如何处理处置印染污泥一直是企业和政府面临的难题。糠醛渣(FR)是以玉米芯等原料制备糠醛过程中产生的废渣。然而糠醛渣在我国并没有得到很好的利用。与此同时，印染污泥和糠醛渣作为工业固体废物，可以制备成泥炭/生物炭加以利用。本文以DS和FR为研究对象，采用微波热解技术在螺杆移动床中对其进行热解制备泥炭/生物炭;对热解产物进行了元素分析、扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、BET比表面积仪、X射线荧光光谱仪(XRF)、X射线衍射仪(XRD)、气相色谱仪(GC)、电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)等表征与分析。研究结果如下:
　　(1)印染污泥微波热解实验。随着热解温度的增加，泥炭(SC)的产率逐渐下降，最低为63.87％;不可凝热解气产率逐渐增加，最高为26.37％。不可凝热解气主要由CO2、H2、CO和CH4组成。在650℃下，添加氧化钙和铁粉使SC产率增加;添加钙基膨润土和高岭土使SC产率降低。在650℃添加高岭土获得最低的SC产率，为53.2％。元素分析表明，随着热解温度的升高，碳、氢和氮的含量逐渐降低，硫的含量逐渐增加。在650℃下添加催化剂能促进碳、氢、氮等元素向液相和气相产物中转化，而且，氧化钙有助于硫元素的固化。比表面积结果显示，SC在650℃下添加高岭土得到最大比表面积，为123m2·g-1，和扫描电镜结果一致。DS消解液中重金属含量从高到低为:Zn＞Pb＞Cr＞Cu＞Ni＞As，并且所有的重金属含量均低于《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋用泥质》标准中的限值。不同温度和催化剂对不同重金属的固化效果不同。在450-750℃，螺杆转速为1-9r·min-1(rpm)条件下，微波热解含水为60％的DS耗电量为0.76-2.59kWh·kg-1。温度越高、螺杆转速越低，能耗就越大。
　　(2)糠醛渣微波热解实验。随着热解温度从450℃增加到750℃，生物炭（FRBC）的产率逐渐下降，最低为43.62％;不可凝热解气产率逐渐增加，最高为40.37％。不可凝热解气主要由CO2、H2、CO和CH4组成，其中CO2产率最高。随着热解温度的升高，CO2、H2、CO和CH4的产率总体呈上升的趋势，在750℃达到最大，分别为20.31％、0.99％、15.22％和4.21％。在550℃下，添加氧化钙时FRBC产率升高;添加高岭土和碳酸钾时FRBC和的产率降低。添加氧化钙显著降低CO2和CO产率，而添加高岭土和碳酸钾则显著提高CO2，CO和H2的产率。FR经热解后，氢元素含量降低，碳、氮和硫元素则富集在FRBC中。添加催化剂能够促进碳、氢和硫元素向液相和气相转化。XRD分析表明，糠醛渣和生物炭含有SiO2、CaSO4、K2Ca(SO4)2H2O和KCl等无机物。经计算，糠醛渣微波热解的净电耗为0.755-2.846kWh·kg-1湿物料。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 印染污泥概述

1．1．1 印染污泥来源及其特点

1．1．2 印染污泥的成分及危害

1．1．3 印染污泥的处理处置方式

1．2 糠醛渣概述

1．2．1 糠醛渣来源及其特点

1．2．2 糠醛渣的利用方式

1．3 微波热解技术

1．3．1 微波热解技术的原理和特点

1．3．2 微波热解技术的应用

1．4 研究目的和研究内容

1．4．1 研究目的及意义

1．4．2 研究内容

第二章 实验材料与方法

2．1 实验材料

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验仪器

2．2 实验分析方法

2．2．1 原料和产品的元素分析及热值

2．2．2 印染污泥和糠醛渣的工业分析

2．2．3 印染污泥和糠醛渣热解气体组成分析(GC)

2．2．4 原料和产品的表面形貌分析(SEM)

2．2．5 印染污泥和泥炭的孔特性分析(BET)

2．2．6 原料和产品的化学官能团分析(FTIR)

2．2．7 原料和产品的元素组成分析(XRF)

2．2．8 原料和产品的物相分析(XRD)

2．2．9 原料和产品的重金属消解特性(ICP-MS)

第三章 印染污泥微波热解实验及其固体产物分析

3．1 微波热解系统的预测试

3．2 温度、螺杆转速和气速对热解产物的影响

3．3 催化剂对热解产物分布和气体组成的影响

3．4 印染污泥和泥炭的元素分析

3．5 印染污泥和泥炭的表面形貌分析

3．6 印染污泥和泥炭的孔特性分析

3．7 污泥和泥炭的有机官能团分析

3．8 印染污泥和泥炭的元素组成分析

3．9 印染污泥和泥炭的重金属消解特性

3．9．1 重金属的分布与迁移

3．9．2 重金属潜在风险评价

3．10 印染污泥微波热解过程的能耗分析

3．11 本章小结

第四章 糠醛渣微波热解实验及其固体产物分析

4．1 微波热解系统的预测试

4．2 糠醛渣微波热解产品分析

4．3 生物炭的元素分析

4．4 生物炭表面形貌分析

4．5 糠醛渣和生物炭的有机官能团分析

4．6 糠醛渣和生物炭的元素组成分析

4．7 糠醛渣和生物炭的XRD分析

4．8 糠醛渣微波热解过程中的能耗分析

4．9 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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