固態廢棄物和煤混合燃燒過程中有機氯化物形成機理的分析
科技專論
作者：馮濤 徐健
【摘要】此次實驗研究主要針對幾種煤以及城市固體廢棄物，對其原料以及混合物進行分析，並總結其熱力學行為。研究結果顯示有機化合物在快速加熱中的形成機率較大，明顯高於慢速加熱情況下的有機化合物形成可能性。另外，城市固體廢棄物在燃燒過程中，氯氣即Cl2是造成有機氯化物出現的主要原因，另外有機氯化物的形成機理還與Deacon反應有關係。
【關鍵詞】固態廢棄物；煤；混合燃燒；有機氯化物；形成機理
相關報道和資料表明，美國每年的城市固體廢棄物增加量達到了2億以上，對於這些固體廢棄物的處理，傳統的方法主要以地麵堆積為主。然而隨著堆積麵積的不斷減少以及環保條例的相繼出台，傳統的垃圾處理方法逐漸被淘汰，焚燒處理開始漸漸取代了傳統的處理方法。然而，隨機有機氯化物的不斷產生，其毒性開始嚴重影響了人們的身體健康，固體廢棄物的焚燒技術的發展也因此受到了影響。
燃燒中產生的有機氯化物主要包括了多氯二苯並二惡英（PCDDs）以及多氯二苯並呋喃（PCDFs）。然而在煤以及廢棄固體物的混合燃燒中，卻沒能有效檢測出這兩種有機物。一些關於固體廢棄物的燃燒中有機氯化物形成的解釋開始相繼出現，其中氯氣成為了主要的媒介，而燃料氣與飛灰中化合物的denovo合成則是造成PCDDs以及PCDFs的主要路徑，Deacon反應則是其中一個過程。
結合研究可以得出，HCl的來源是含氯塑料的熱分解，而氯氣則可能與Deacon反應有所關係。將煤與固體廢棄物進行混合燃燒，能夠有效防止有機氯化物的產生。相關結論還表明，二氧化硫濃度的增減能夠抑製有機氯化物的生成。硫化物之所以能夠抑製PCDDs以及PCDFs，有人認為煤在燃燒過程中，硫的摩爾數量在超過氯氣的基礎上，會保持正反應為主，從而將氯氣轉化成HCl，從而使芳環取代反應得到抑製，防止PCDDs以及PCDFs的出現。
在此次實驗研究中，項目主要采用TGA/FTIR/MS以及氣相色譜-質譜聯用技術對固體廢棄物以及煤的混合燃燒過程進行分析。
1、實驗
1.1TGA/FTIR/MS係統
將一定量的樣品防止在TGA中，在有空氣的情況下，在不同加熱速度的基礎上，將其加熱到1000攝氏度，利用FTIR/MS係統對逸出TGA的氣態物質的波譜以及熱重特征圖進行分析。
三台設備主要為951型熱重分析儀、熱氣體質譜分析儀以及1650型傅立葉紅外光譜儀。
使用一根聚四氟乙烯管將TGA以及FTIR進行連接，並將其維持在150攝氏度的溫度下，FTIR的KBr窗氣室也需要使用恒溫控製儀進行加熱。管路以及氣室在加熱的情況下，能夠有效防止氣體出現冷凝。使用石英樣品進樣管將TGA以及MS進行連接，並將其加熱到170攝氏度。
1.2管式爐研究
在此次實驗研究中，在一水平安裝著電爐的石英管中進行。樣品在置入電爐之前，需要將電爐加熱到預定設置的溫度，從而滿足常壓流化床燃燒係統的工作條件以及物質燃燒狀況。在反應過程中，進樣氣體主要由標定過的聚四氟乙烯流量計調節。
反應產物進入安置有冷阱的吸收液中。結束後，將溶液濃縮，並使用島津QP-5000GC/MS係統對濃縮液進行分析。使用具備化合物數據庫的計算機對化合物進行分析。另外，對於GC而言，純化合物的保留時間能夠使未知物更加容易確定，然後再使用標準物質對實驗裝置的檢測結果進行確定。