脫墨污泥熱解特性及其應(yīng)用研究

羅先智，周東一，袁嘉煒，萬　華,胡　淼，段　煒，尹向群

脫墨污泥熱解特性及其應(yīng)用研究

羅先智1,2,3，周東一1,2*，袁嘉煒1,2，萬華3,胡淼3，段煒3，尹向群3

（1.邵陽學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽 422000； 2.邵陽學(xué)院高效動(dòng)力系統(tǒng)智能制造湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 邵陽 422000； 3.國家能源集團(tuán)寶慶煤電有限公司，國家能源集團(tuán)寶慶煤電有限公司，湖南 邵陽 422000）

本研究是利用熱重分析儀(TGA)和掃描電鏡對脫墨污泥熱解特性及生物質(zhì)半焦孔隙結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行表征，探討脫墨污泥熱解特性及其合理利用途徑。研究結(jié)果表明，脫墨污泥的熱解分為兩個(gè)階段，即脫揮發(fā)分階段及碳化階段。隨著熱解溫度的升高，脫墨污泥焦顆粒表面孔隙增加、孔隙變大。

脫墨污泥；熱重；掃描電鏡；熱解

脫墨污泥是廢紙回收利用過程中進(jìn)行脫墨時(shí)形成的固體廢渣[1]。脫墨污泥主要包括廢紙中的涂料和填料，此外還含有部分纖維。目前，大部分污泥采用填埋和堆肥的方式進(jìn)行處理。然而，采取填埋的方式成本越來越高且存在病原體污染、過量鹽分污染、地下水污染、有機(jī)高聚物污染、重金屬污染等二次污染問題[2]。因此，尋找高效的利用方式是將污泥“變廢為寶”的關(guān)鍵所在，是此類固體廢棄物發(fā)展的戰(zhàn)略方向。

生物質(zhì)熱解是一種高效清潔的利用方式，可以得到生物炭、生物油以及可燃?xì)怏w等化工原料，具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的雙重效益。熱解是在缺氧條件下對生物質(zhì)加熱，破壞有機(jī)物聚合物的結(jié)合狀態(tài)，將其分解為小分子物質(zhì)，小分子再合成大分子的過程，熱解過程可以在殺死污泥中有害生物的同時(shí)得到氣（熱解氣）、固（生物炭）和液（生物油）三相產(chǎn)物[3]，同時(shí)達(dá)到無害化、減量化及資源化的效果。脫墨污泥的熱解特性的分析對其綜合利用具有重要的理論指導(dǎo)意義。

1　實(shí)驗(yàn)及方法

1.1　實(shí)驗(yàn)原料

脫墨污泥取自保定市的某一廢紙廠廢紙回收產(chǎn)生的污泥。造紙污泥含水率較高，先對其進(jìn)行干燥，放在105°C烘箱中烘24 h，然后將其研磨篩分，選取200目的樣品顆粒。

1.2　實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

熱重實(shí)驗(yàn)所用儀器為NETZSCH STA 449F3，實(shí)驗(yàn)每次取樣品5 mg放在Al2O3坩堝中，通入80 mL/min的高純氮?dú)?99.999%) ，從室溫以10 °C/min 升溫至900 °C。在管式爐中制取500 °C 和1000 °C的熱解焦樣。使用Micromeritics通過N2吸附技術(shù)表征了樣品的孔結(jié)構(gòu)。表面積通過BET方法確定，孔徑通過BJH方法確定。根據(jù)相對壓力為0.99時(shí)吸附的氮量估算總孔體積（V）。平均孔徑D = 2V/SBET。通過掃描電子顯微鏡（Zeiss）觀察脫墨污泥原因及其500 °C和1000 °C焦的表面形態(tài)。所有樣本均以800×可視化，以便直接比較它們之間的不同細(xì)節(jié)水平。

2　結(jié)果與分析

2.1　熱重分析

如圖1 所示，脫墨污泥的失重曲線分為明顯的兩個(gè)階段：脫揮發(fā)分階段和礦物質(zhì)熱分解階段[4]。第二階段為熱解的主要階段，說明污泥中礦物質(zhì)含量較高，因此脫墨污泥可以用于生產(chǎn)高質(zhì)量建筑材料[5]。

圖1　脫墨污泥熱解曲線

2.2 微觀形態(tài)分析

掃描電鏡的圖片顯示，脫墨污泥主要是無規(guī)則破碎的短纖維素（廢紙回收過程中再次遭到機(jī)械損壞）和礦物質(zhì)顆粒[6]。原樣中的纖維表面較為光滑，礦物顆粒較大。隨著熱解溫度的升高，纖維表面逐漸變得粗糙，孔隙慢慢增加，如圖2、圖3、圖4所示。通過熱解處理，減小了脫墨污泥質(zhì)量、增加了表面孔隙和吸附力，可用于制備活性炭[7]。而且污泥中 90% 以上的重金屬例如Ni、Cu、Zn、Fe、Cr及 Pb 等被移存在固體半焦中。污泥活性炭不但成本低廉，還節(jié)約了煤等其他能源，并且還解決了污泥的處置問題，變廢為寶，實(shí)現(xiàn)了脫墨污泥的資源化利用[8]。

圖2　脫墨污泥原樣SEM圖

圖3　脫墨污泥500°C焦SEM圖

圖4　脫墨污泥1000°C焦SEM圖

3　總結(jié)

脫墨污泥熱解分為兩個(gè)階段：脫揮發(fā)分階段和礦物質(zhì)熱分解階段。較高的礦物質(zhì)含量表明脫墨污泥可用于生產(chǎn)較高質(zhì)量的建筑材料。由于脫墨污泥具有高揮發(fā)分高灰分低熱值的特點(diǎn)，直接熱化學(xué)利用效率較低，所以可以將其與其他燃料共同利用。通過熱解處理，能將脫墨污泥轉(zhuǎn)化成質(zhì)量輕、孔隙多、吸附力高的含碳吸附劑。

[1] 王圓圓，陳嘉川，楊桂花，等．脫墨污泥催化熱解特性及動(dòng)力學(xué)研究[J]．中國造紙學(xué)報(bào)，2014，29(4)：30-34．

[2] 劉琳，張安龍，羅清，等．造紙固體廢棄物的性質(zhì)與資源化利用[J]．中國造紙，2015，34(6)：52-58．

[3] 羅先智，周東一，吳源泉，等．生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化利用研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]．時(shí)代農(nóng)機(jī)，2020，47(5)：74-76．

[4] 王冰，洪世杰，陳云臻，等．造紙污泥成分特性分析及處置措施探討[J]．漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，19(5)：32-34．

[5] 李曉松，薛秦潼，徐成宇．造紙污泥的資源化利用[J]．造紙裝備及材料，2020，49(1)：56+69．

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[7] 羅清，劉琳，張安龍，等．廢紙?jiān)旒埼勰嘀苽淠噘|(zhì)炭吸附材料及其特性研究[J]．中國造紙，2016，35(8)：7-14．

[8] 叢高鵬，施英喬，丁來保，等．造紙污泥生物質(zhì)資源化利用[J]．生物質(zhì)化學(xué)工程，2011，45(5)：37-45．

Study on characteristics and application of deinking sludge pyrolysis

LUO Xianzhi1,2,3, Zhou Dongyi1,2*, YUAN Jiawei1,2, WAN Hua3, HU Miao3, DUAN Wei3, YIN Xiangqun3

(1. School of Mechanical and Energy Engineering, Shaoyang University, Shaoyang, Hunan 422000, China; 2. Key Laboratory of Hunan Province for Efficient Power System and Intelligent Manufacturing, Shaoyang University, Shaoyang, Hunan 422000,China; 3. National Energy Group Baoqing Coal and Electricity Corporation, Shaoyang, Hunan 422000, China)

The thermogravimetric analyzer and scanning electron microscopewere used to characterize the pyrolysis characteristics of deinking sludge and the pore structure characteristics of its coke.The pyrolysis characteristics of deinking sludge and its rational utilization methods were discussed. The results show that the pyrolysis of deinking sludge is divided into two stages: the devolatilization stage and the carbonization stage. With the increase of pyrolysis temperature, the surface pores of deinking sludge coke particles increase and the pores become larger.

deinking sludge; thermogravimetry; scanning electron microscope; pyrolysis

S126

A

2096–8736(2020)03–0038–03

湖南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018GK2074）;邵陽學(xué)院研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（CX2019SY015、CX2019SY007）;湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（CX20190968）;湖南省高校創(chuàng)新平臺(tái)基金（18K097）。

羅先智(1995—)，男，湖南邵陽人，碩士研究生，主要研究專業(yè)方向?yàn)槟茉唇?jīng)濟(jì)、新能源技術(shù)。

周東一(1974—)，男，湖南隆回人，教授，碩士研究生，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)儲(chǔ)能材料及技術(shù)、新能源技術(shù)。