天津商业大学团队：光固化3D打印废物焚烧过程污染物释放特性研究

文章来源：Waste Management废物管理微信公众号

图文摘要

文章亮点

●本文探明了新兴有机固废PCW的燃烧过程与污染物释放特性；
●揭示了PCW焚烧产物包含氰化氢等有毒组分，且芴和三苯含量是常见塑料的两倍；
●从抑制PAHs释放角度阐释了PCW更适合与MSW中的厨余垃圾、常见塑料、木竹一同处置，而与橡胶、纸张、纺织品一起焚烧会加剧VOCs的生成和释放。

引言

光固化3D打印因具有技术成熟、精度高、成型速度快、适用性强等优势，在现今制造业占据重要地位。光固化塑料10年预测期的复合年增长率高达17%，是2022-2027年期间常见塑料年复合年增长率的3.32倍，随之而来的光固化废物（PCW）产量也增长迅猛，逐渐引起人们的关注。

PCW属于共价交联热固性塑料，难以回收利用或生物降解。由于制造工艺需求，制作原料中光引发剂占比3-8%，多数具有一定毒性，对生物体及环境存在潜在危害。然而PCW作为新兴有机固废，尚缺乏针对性处置及回收办法，日常丢弃后可能随城市生活垃圾（MSW）焚烧处置。在未知其焚烧特性情况下，随着其产量的增加是否会增添环境风险，亟需探明。且随着垃圾分类的推进，PCW与MSW中不同可燃组分在焚烧处置过程中是否存在交互影响也需阐释。

主要内容

1. PCW燃烧特性及产物组成

首先采用TG-MS/FTIR联用系统获得了PCW焚烧反应过程的热失重阶段以及热失重过程挥发性有机物的主要组分。根据TG-DTG曲线分析PCW的焚烧反应过程，主要分为以下几个阶段：
100-260℃：水分蒸发以及半挥发性化合物分解包括未固化的小分子结构，如低聚物、光引发剂、小分子稀释剂和改性剂等；

260-495℃：有机聚合物分解阶段，是主要分解阶段，大分子物质如聚氨酯链和环氧丙烯酸酯链分解为简单的有机和无机分子，失重率可达到80%；

495-700℃：燃尽阶段。

图1 PCW焚烧过程TG-DTG曲线

图2 PCW焚烧过程FTIR曲线

PCW焚烧过程生成的挥发性有机物组分主要为CO、乙烷、环丙基甲醇、环丁醇、甲醛、乙醇、2-甲基丙烯酸羟乙基酯、二异丁基甲醇、内酰胺和3,3-二甲基-4-甲基氨基丁烷-2-1等。

表1 PCW焚烧过程挥发性产物组分

通过管式炉实验对PCW进行焚烧条件的氧化实验，通过改变焚烧温度得到PCW焚烧产物生成释放特性及其与常见塑料焚烧处置产物的差异，结果如下：

PCW焚烧生成的烟气主要含有甲醛、氰化氢、苯等多环芳烃的前驱物，其中氰化氢具有毒性，会造成环境风险；

PCW焚烧生成的灰分主要成分为萘和甲基萘、联苯、苊、1-萘碳腈、芴、甲醇、2-苯萘、芘和三苯等多环芳烃，会对环境造成污染；

PCW焚烧处置产生的芴和三苯等多环芳烃的含量是常见塑料的两倍。

图3 PCW与常见塑料焚烧产物组分对比

2. PCW随MSW焚烧处置产物特性

结合目前PCW未有针对性处置或回收办法，日常丢弃后可能随MSW一同焚烧处置现状，通过焚烧实验探究了PCW与MSW在不同比例下掺混焚烧时产物生成释放特性。研究表明，PCW随MSW一同焚烧产物组分受掺混比例影响较小。且掺混焚烧时，萘、环己烷和庚烷等化合物的产生量至少是单独焚烧MSW的两倍。

图4 PCW与MSW掺混焚烧前后产物组分对比

3. PCW与MSW各可燃组分掺混焚烧产物特性

PCW与橡胶和纺织品一起焚烧，产生的PAHs比PCW单独焚烧多2-3倍；
PCW与纸类一同焚烧产生的庚烷、壬烷、环己烷、芘和蒽比PCW单独焚烧多3-5倍；
PCW与木竹一同焚烧主要产物含量低于10%；
当PCW与厨余垃圾和常见塑料一同焚烧时，大部分产物含量保持在5%以下。

图5 PCW与MSW中不同可燃组分掺混焚烧产物组分对比

（a）纸类，（b）纺织品，（c）橡胶

图6 PCW与MSW中不同可燃组分掺混焚烧产物组分对比

（a）厨余垃圾，（b）常见塑料，（c）木竹

结论

PCW相较于常见塑料，其原料组成氧元素相对较高，表面存在光引发剂残留，焚烧所需活化能较高，挥发性产物中含有CO、CO2以及由酯类分解而成的饱和脂肪烃；
PCW焚烧实验表明，PCW焚烧处置产物包含氰化氢等有毒组分，且芴和三苯含量等多环芳烃的含量是常见塑料的两倍；
PCW与MSW掺混焚烧时，萘、环己烷和庚烷等化合物的产生量至少是单独焚烧MSW的两倍；
PCW与MSW六种可燃组分分别掺混焚烧实验结果表明，PCW与厨余垃圾、常见塑料和木竹一同焚烧处置生成的灰分组分相对清洁；与橡胶、纸张和纺织品一同焚烧则会加剧PAHs的生成和释放。


作者简介

作者：陈冠益，宋玉茹，张闳楠，孙昱楠，旦增，程占军，颜蓓蓓
通讯作者：孙昱楠, 天津商业大学 机械工程学院, 环境能源+X创新实验室


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.
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.wasman.2024.07.010