废弃贴面纸材料不同热解阶段有害组分转化特性_董子航.pdf

第 43 卷第 3 期2023 年 3 月Vol.43，No.3Mar.，2023环境科学学报Acta Scientiae Circumstantiae废弃贴面纸材料不同热解阶段有害组分转化特性董子航，徐期勇，陈钦冬*北京大学深圳研究生院，环境与能源学院，深圳 518055摘要：废弃三聚氰胺-酚醛浸渍贴面纸（MPF）以碳基材料为主，用量大，其中，三聚氰胺、酚醛等有害组分处理不当会对环境造成污染.热解是MPF快速无害化处理的有效方法之一，明确MPF中各组分的热解转化行为是其利用的关键.本研究以热重实验为基础，结合高斯分峰拟合及动力学分析，确定MPF在热解过程中的反应阶段及其相应的温度节点，并在固定床上进行台架实验收集固、液、气相产物.结果表明，MPF中3种主要组分的热分解过程相互独立，其中，210293 的热解对应三聚氰胺和酚醛分解的线性叠加，在220 和280 的生物油以胺类和酸类为主，温度主要影响挥发分分解速率；纸张中的纤维素在293 后分解，因此，550 热解产生的生物油组成以胺类（28.92%）和酮类（30.33%）为主，而含氧官能团中所包含的氧不足以提供碳的完全氧化，气体中CO含量明显增加（20%）；固体产物随着温度升高金属颗粒富集增多，影响生物炭的均匀性.总体而言，低温热解（280）生物油组成简单且生物炭中金属分布更加均匀，产物相对中高温热解（550 以上）对MPF的处置具有更大的后处理优势.关键词：三聚氰胺-酚醛浸渍贴面纸；快速热解；有机化合物；废物处理；固定床文章编号：0253-2468（2023）03-0273-08 中图分类号：X705 文献标识码：AVariation of hazardous compounds in waste MPF at different pyrolysis stagesDONG Zihang，XU Qiyong，CHEN Qindong*School of Environment and Energy，Peking University Shenzhen Graduate School，Shenzhen 518055Abstract：Waste melamine phenol-formaldehyde impregnated adhesive paper（MPF）is mainly made of carbon-based materials，and is used in a large amount.Improper disposal of harmful components such as melamine and phenolic will cause environmental pollution.Pyrolysis is one of the effective methods for the rapid and harmless treatment of MPF.The key to the products utilization is to understand the thermal decomposition behavior of each component in MPF.In this study，thermogravimetric experiments of MPF were conducted.The MPF reaction stages in the pyrolysis and their corresponding temperature were determined by combining the Gaussian peak fitting and kinetic analysis.The bench experiment was carried out on a fixed bed to collect bio-char，bio-oil，and bio-gas at the corresponding temperatures.The results showed that thermal decomposition processes of the three main components in MPF were independent of each other.The pyrolysis at 210293 corresponded to the linear superposition of the melamine and phenol-formaldehyde decomposition.The bio-oil generated at 220 and 280 was primarily consisted of amines and acids，and the temperature mainly affected the decomposition rate of volatile components.The cellulose in adhesive paper decomposed when the temperature was higher than 293，and the bio-oil obtained at 550 was consisted of complex compositions，which mainly composed of amines（28.92%）and ketones（30.33%）.The oxygen contained in the oxygen-containing functional group was insufficient for the complete oxidation of carbon，and led to the significant increase in CO content（20%）.The enrichment of metal particles，which affecting the uniformity of biochar，was observed at high temperature（550）.Overall，low-temperature pyrolysis（280）has a simpler composition of bio-oil and more uniform distribution of metals in bio-char，and the product has a greater post-treatment advantage than medium and high temperature pyrolysis（above 550）for the disposal of MPF.Keywords：melamine phenol-formaldehyde impregnated adhesive paper；fast pyrolysis；organic compounds；waste treatment；fixed bed1引言（Introduction）三聚氰胺-酚醛浸渍贴面纸（MPF）是由三聚氰胺、酚醛、纤维纸（纤维素）、胶粘剂和各种添加剂组成的 以碳基材料为主的复合物，被广泛应用于人造板贴面材料等（Liu et al.，2014；Wu et al.，2019）.MPF中含有的DOI：10.13671/j.hjkxxb.2022.0236董子航，徐期勇，陈钦冬.2023.废弃贴面纸材料不同热解阶段有害组分转化特性 J.环境科学学报，43（3）：273-280DONG Zihang，XU Qiyong，CHEN Qindong.2023.Variation of hazardous compounds in waste MPF at different pyrolysis stagesJ.Acta Scientiae Circumstantiae，43（3）：273-280收稿日期：2022-05-17 修回日期：2022-06-29 录用日期：2022-06-30基金项目：国家重点研发计划（No.2018YFC1902903）作者简介：董子航（1998），女，E-mail：；*责任作者，E-mail：环境科学学报43 卷三聚氰胺、酚醛、胶粘剂和各种添加剂，处理不当会对环境造成污染，产生大量污染物，如甲醛排放污染等（Lei et al.，2015；周子航等，2019）.快速热解是MPF资源化利用的有效方法之一（安青等，2021；陈钦冬等，2021）.反应温度是影响快速热解特性的关键因素（王超等，2014；王南涛等，2021；闫代红等，2021）.不同热解 温度下MPF中的有机成分会表现出不同的转化趋势.比如，酚醛树脂在低温（200）下热解通常会产生苯酚等（Xing et al.，2021）；而三聚氰胺-甲醛树脂在 300 时热解常会产生氮类化合物，如氨、异氰酸和氢氰酸（Girods et al.，2008）等，对环境造成不利影响.尽管温度对快速热解影响显著，但目前的研究大多集中在对三聚氰胺等组分固定温度的热解，对不同温度梯度下MPF的快速热解研究仍然有限，而且一般采用固定温度梯度（如 100），没有进行更具体的区分（母军等，2011）.例如，三聚氰胺（Ding et al.，2016）和纤维素（Jiang et al.，2021）的最低热解温度分别约为245 和250.如果原料使用固定的温度梯度，则不能反映出原料组分与污染物之间的对应关系，不利于进一步的有害组分针对性控制.因此，快速热解反应阶段必须进行更适当的划分，并特别关注不同反应阶段MPF中有机化合物的转化情况.另外，为了促进人造板快速热解后的产物多途径资源化利用，亟需明确不同温度下MPF的各相热解产物特性及排放行为.基于目前的研究现状，本文选择MPF作为研究对象，结合热重分析（TGA）和高斯模型区分热解反应 阶段，并通过热解实验探究其固、液、气三相产物组成及污染物的排放情况，探讨不同反应温度对MPF热解特性及产物转化特性的影响，以期为工业上应用快速热解技术进行MPF的资源化利用提供参考.2材料与方法（Materials and methods）2.1实验材料本实验选取的 MPF 来自东莞市贝辉装饰材料有限公司.原料的元素分析（PE2400 Series II，PerkinElmer，USA）、工业分析（GB/T 28731-2012）及主要的金属元素含量如表1所示.MPF样品在实验前已在105 下干燥24 h.2.2实验设计实验通过热重分析仪（TGA-50H，Shimadzu，Japan）分析贴面纸原料的基本热解特性.热重分析使用 大约10 mg样品，以10 min-1的升温速率从室温升至900，氮气（N2）（50 mL min-1）用作载气.本研究通过热重曲线上不同原料的热解温度，将反应大致分为3个阶段，并采用高斯方法主要针对210411 之间的 反应进行分峰和深入分析，确定220、280、550 为最终热解温度，并作为进一步研究的依据.贴面纸原料的热解实验在立式管式炉（RT 50-250/11，Naberther，Germany）上进行，实验装置如图1所示.热解装置包括气体供应单元（N2气体，99.999%）、反应管（由石英玻璃制成，内径为50 mm）和产物收集单元，其中，加热段的长度为0.4 m.将气体流经管路连接完成后，向其中通入氮气排除管路中的空气，使反应在无氧条件下进行.气流采用上进下出式，反应气体由质量流量计控制，流量为（40010）mLmin-1.实验前准确称取（1.000.10）g原料，尺寸为20 mm20 mm0.1 mm，待管式炉升温至指定温度（分别为220、280、550）时，将样品倒入石英反应管中，热解时间20 min.待反应完全降至室温后，从反应管中收集生物炭.本研究采用两套产物收集装置（路径1和路径