废塑料能量回收利用：差热分析法应用

差热分析法在废弃塑料能量回收利用中的应用

武汉东湖学院生命科学与化学学院　李会荣　刘黎亚　高慕荣　陈再新

塑料是以合成树脂为主要成分的高分子材料。随着塑料在生活中的大量使用，不可避免地产生了大量的废弃塑料，目前，废弃塑料还未能得到妥善的处理。而废弃塑料在固体废弃物中能量值最高，废弃塑料的能量回收具有巨大的潜力，但是对废弃塑料的能量回收目前还缺乏相应的基础数据。本文采用ZCR差热分析仪，探讨了ZCR差热分析仪的使用条件（仪器的自然冷却间隔）和最佳实验条件（样品的质量与反应炉最佳升温速率），选取PP、PET、PC、PE作为生活中常见的有代表性的塑料样品，通过PP、PET、PC、PE的差热分析图谱的相互对比，得到了几种常见塑料样品的差热分析基础数据；并与煤粉进行了差热分析的对比研究，为废弃塑料的能量回收利用提供基础数据。

塑料的主要成分是合成树脂，一般经过化学手段进行人工合成。随着塑料工业技术的迅速发展，当前世界的塑料总产量已超过1.7×108t，其用途已渗透到国民经济各部门以及人民生活的各个领域，和钢铁、木材、水泥并列成为四大支柱材料。但塑料的缺点是用后在自然环境或垃圾场中难于降解、腐烂，因此成为污染环境的垃圾。

目前，世界各国对废弃塑料的处理方法大致有以下四种：（l）通过设计和报废不合格的模具来减少制品的用量，减少制品的边角下料；（2）回收再利用（可回收利用塑料）；（3）以焚烧来回收能量（不可回收利用塑料）；（4）掩埋（不可回收利用塑料）。

废弃塑料主要由C、H等元素组成，它的燃烧将产生较高的热能及化学能，这些能量本应得到充分、有效地利用，但是相对于煤粉而言，其燃烧特性及相关动力学数据尚不明确。差热分析（Differential Thermal Analysis，简称DTA）是在程序控制温度下测定物质和参比物之间的温度差和温度关系的一种技术。本文采用差热分析法对废弃塑料的燃烧行为进行模拟研究，为废弃塑料的能量回收利用提供基础数据。

一、实验部分

实验仪器：本实验采用的是ZCR-I差热分析仪，生产厂家为南京桑力。

实验材料：PET(饮料瓶等)、PP（快餐盒）、PC(水壶等)、PE（电缆外皮等）等。

实验方法：收集各种塑料，将其洗净、凉干，分别标记好后，剪碎等待实验时用。准确称量等质量的试样物和参比物，置于实验专用的小坩埚内，设置好实验条件，开启数据采集程序，在程序中填好实验的试样物和参比物及其质量，设置好坐标参数，开始实验。

二、结果与讨论

1.ZCR-I差热分析仪冷却时间的测定

差热分析实验中，必需等到实验仪器完全冷却后才能进行下组实验，否则，实验过程中仪器受热后不待冷却时，仪器内温度较外面高，仪器内部的温差依然存在，影响实验结果。ZCR-I差热分析是靠自然冷却降温，因此更好地了解该仪器的特性，合理的安排实验时间，避免因仪器未冷却而造成实验误差。本文首先测定了ZCR-I差热分析的自然冷却曲线，见图1。

图1　ZCR-I差热分析仪自动冷却曲线图

由上图的冷却曲线可以看出，随着时间的延长，反应炉内的温度下降速度越来越慢。在第1分钟，温度下降了32℃；第10分钟下降了21℃；第100分钟只下降3℃；在200分钟后期下降了0.1℃左右。从而可以确定，在自然冷却的实验条件下，ZCR-I差热分析仪从800℃冷却到室温，约需200分钟。

2.对几种塑料的回收利用的差热分析

在样品质量为5.0mg，升温速率为15℃/min的条件下，分别做了煤粉、PP塑料、PC塑料、PE塑料、PET塑料的差热分析实验。结果如图2—图6所示。

图2　煤粉的DTA-t关系图(www.xing528.com)

图3　PP塑料的DTA-t关系图

图4　PC塑料的DTA-t的关系图

图5　PE塑料的DTA-t关系图

图6　PET塑料的DTA-t关系图

由上述DTA-t曲线图，可以得到获得吸热区间（℃）、吸热过程峰值（℃）、放热区间（℃）、放热区间峰值（℃）等参数，表1对比了几种塑料与煤粉的相关参数。

表1　煤粉与几种塑料实验结果的对比

由上表可以看出，几种塑料相对于煤粉，塑料具有易燃烧，且燃烧过程中温度变化区间相对较小，热量要求相对煤粉低；完全燃烧时，其放出的热量相对煤粉多等优点。

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