Journal of Cleaner Production：柴油机废塑料热解油的提取及其理化性质的表征
背景介绍
作为常见的生活垃圾，不可分解的塑料对环境极其有害，采取有效措施将这些塑料污染源转化为可利用且可再生的产品是非常有必要的。热解是指在无氧或低氧环境下，原料被加热升温引起分子分解产生焦炭、可冷凝液体和气体产物的过程，塑料热解可以将废塑料转化为热解油（PPO）。
对此，印度斯坦工程技术学院Krishnaraj Janarthanan对缓慢热解废塑料提取燃料油的过程进行了分析研究，以获得最大的燃料油产量。此外，通过热重分析、FTIR和GC-MS分析对获得的塑料热解油的理化性质进行表征。研究结果证实了塑料热解油代替柴油作为燃料的可行性。
图文解读
热重分析
采用PerkinElmer热分析法对废塑料热解油进行热重分析，图1 为塑料热解油的TGA曲线图，在PPO的液体样品中，TGA曲线显示，随着温度的升高，样品质量下降，在300°C时，PPO样品完全分解。随着温度的升高，失重率先升高，后降低。加热速度越快，混合物分解得越快。结果表明，提高升温速率可以加速热解反应。
图1. 塑料热解油的热重分析
红外光谱分析
通过FTIR分析确定了PPF中的官能团，为确定塑料热解油的主要化学性质提供了依据。结果表明，PPF的FTIR光谱范围在3420 cm-1和1460 cm-1之间。3420.30 cm-1处的峰可以归因于O-H拉伸和醇酚混合物中强而宽的氢键。在2956.41 cm-1、2923.24 cm-1和2852.61 cm-1观察到三个峰，分别证实了羧酸和烷烃的O-H伸缩和C-H伸缩振动模式的存在。C=O的伸缩峰位于1700.06 cm-1，其官能团主要为羰基、羧酸、α和β不饱和醛和酮。在1460.08 cm-1的频率上可以发现另一个峰，它对应于芳香环的C-C拉伸和烷烃的C-H键。
图2. 塑料热解油的FT-IR分析
GC-MS分析
GC-MS研究不仅确定了塑料热解油的化学组成，还证明FTIR研究中观察到的官能团的存在以及FTIR分析中遗漏的含有其他官能团的组分。通过GC-MS分析得到的PPF的色谱图如图3所示。GC-MS分析发现了9种化合物。其中C4-C12表示轻烃石油燃料，而C12-C20表示中烃柴油，结果表明所获得的塑料热解油化学成分与柴油相类似。
图3. 塑料热解油的GC-MS分析
发动机性能特点
作者团队比较了不同掺混比例的柴油混合物的制动燃油消耗率和制动热效率，结果表明柴油燃料制动燃油消耗率在所有负载条件下都高于PPO混合物，这是因为柴油燃料的密度和粘度均比PPO低。此外，与柴油燃料相比，100% PPO的条件下制动热效率更高，因为PPO包含更多的芳香族化合物，当芳香族化合物分解时，燃烧温度剧烈增加且燃烧更加充分，制动热效率随之增加。
发动机排放特性
作者对几种污染物的排放进行了调查分析，其中氮氧化物的排放如图3所示，在满负荷时，柴油、PPO25、PPO50、PPO75和PPO100的氮氧化物排放量分别为26ppm、39ppm、27ppm、35ppm和31ppm。PPO是一种具有较高芳香度的环状烃。环状结构的燃料具有更高的绝热火焰温度，从而导致更快的放热速率，由于放热速率较快，缸内温度会随着混合物中PPO浓度的增加而升高，这就导致了NOx产量增加。此外，在所有负荷条件下，PPO混合燃料的未燃烧碳氢化合物排放都低于柴油燃料，这是因为与柴油相比，PPO含有更多可以完全燃烧的芳香族化合物，不会出现大量的未燃烧碳氢化合物排放，这也导致了更低的一氧化碳排放。
图4. 氮氧化物与负荷的关系
总结与展望
在这项研究中，通过热解法从废旧塑料中回收有价值的燃料油，有效的减少了废塑料所导致的环境污染，在热解温度在370°C - 380°C之间时，燃料油产量最大为78.2（w/w）。TGA结果显示，塑料混合物在300◦C时完全分解，FTIR和GC-MS分析证实了烷烃和芳香族化合物官能团的存在，这说明塑料热解油是C7和C8的混合物且理化性质与柴油相类似。此外，塑料热解油可以使发动机满负荷运行并保持较高的制动热效率，且在同等运行条件下，燃料消耗率低于柴油，因此，塑料热解油完全有潜力替代柴油作为燃料以供工商业使用。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.132924
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