研究废弃咖啡渣与废弃城市口罩快速共热解的协同效应：动力学与产物成分分析

《Environmental Challenges》：Investigating the Synergy of fast co-pyrolysis of Spent coffee ground and disposed urban facemask: Analysis of Kinetics and Product Compositions

废弃咖啡渣与医用口罩共热解的协同效应及产物分布研究。通过TGA和Py-GC/MS分析发现，混合比例25:75时在460-500℃阶段出现显著协同效应，降低活化能239 kJ/mol，促进烃类物质生成（占比提升96.4%），同时减少酸性化合物和含氮物质。研究为医疗废弃物资源化利用提供技术支撑。

　　这项研究探讨了废弃咖啡渣（SCG）和口罩（FM）在共热解过程中的热力学行为及产物分布。通过热重分析（TGA）和热解气相色谱-质谱（Py-GC/MS）方法，对热解过程进行了深入分析。SCG和FM以不同的重量百分比进行混合（SCG:FM = 100:0, 75:25, 50:50, 25:75, 0:100），并分别在四种升温速率（5, 10, 20, 30°C/min）下进行热解实验。TGA被用于评估热解过程的热力学和动力学行为，将热分解过程分为两个阶段：第一阶段（200-360°C）和第二阶段（360-550°C），而Py-GC/MS则用于分析产物的组成。热解曲线通过Fraser-Suzuki解卷积方法被分解为四个峰，分别对应于生物质伪组分和口罩分解。解卷积曲线显示，在木质素和口罩分解区域（460-500°C）存在潜在的协同效应。热力学分析采用三种无模型方法，以研究共热解的活化能（Ea）和热力学特性。在SCG25%FM75%混合物中，获得了最低的活化能值（305.1-239 kJ/mol），特别是在第二阶段表现尤为显著。Py-GC/MS分析显示，口罩中聚丙烯（PP）的热解促进了脂肪族碳氢化合物的形成，并降低了整体酸性。这种效应在更高热解温度（450-650°C）下进一步增强。混合比例也对产物分布产生了重要影响，其中高聚合物含量（SCG25%FM75%）导致更多的脂肪族产物，并显著减少了羧酸和脱水糖。此外，共热解还显著降低了含氮化合物的含量。最后，研究提出了共热解的政策建议和应用前景，强调了利用废弃材料如SCG和FM进行可持续生产有价值化学品和燃料的潜力。

全球能源领域长期依赖化石燃料，但随着需求增长，化石燃料正逐渐枯竭，导致资源竞争、价格波动和环境污染。为确保经济、能源和环境的长期可持续性，人们正在寻求多元化能源来源。利用废弃物如生物质和塑料进行燃料和化学品生产是一种可行的方法，这与可持续废弃物管理实践的日益重要相契合。目前，多种技术已被开发用于从废弃物中生产生物燃料，包括热解、气化、燃烧和焚烧等。这些技术被认为是将废弃物转化为能源的合适方法。然而，塑料回收虽然是一种有价值的废弃物管理工具，但在应用于口罩等医疗废弃物时，面临独特的挑战，包括处理潜在传染性废弃物可能带来的健康风险，以及分拣和分离口罩各层的复杂性。因此，焚烧作为一种热化学转化过程，常用于减少废弃物体积，但其方法因二噁英的排放而引发担忧。因此，热解作为一种热处理方法，正成为将塑料和生物质废弃物转化为有价值燃料和化学品的有前途的替代方案。

废弃咖啡渣和医用口罩是城市地区大量产生的废弃物。例如，据报道，曼谷废弃口罩中有98%为一次性医用口罩，这一现象在秘鲁等国家也观察到。在城市中，医疗废弃物如口罩的有效收集和分拣仍然存在问题，因为这些物品通常与普通市政固体废弃物混合处理。这种挑战源于专用处理箱的缺乏以及公众意识的不足，导致口罩与家庭垃圾混在一起，而非通过专门的医疗废弃物处理渠道。此外，废弃咖啡渣虽然具有高挥发性和能量含量，适合生产生物燃料，特别是生物油，但目前仍主要被填埋，这带来了诸如甲烷和二氧化碳排放等环境问题。研究指出，废弃咖啡渣渗滤液可能对人类和水生生物构成威胁，可能通过致突变效应引起DNA损伤。因此，利用生物废弃物生产生物能源在废弃物管理和循环生物经济方面具有合理性。

在热解过程中，热力学分析方法被用于评估热解样品的热力学参数，包括焓变（ΔH）、吉布斯自由能（ΔG）和熵变（ΔS）。这些参数提供了关于反应可行性、自发性和能量变化的重要见解。通过热解实验，研究者观察到不同升温速率对单一热解过程的影响。所有样品的TG曲线在升温速率增加时向右移动，表明在较高温度下发生更大的质量损失。然而，SCG的TG曲线在较高热解阶段出现轻微重叠，这可能与快速加热时形成的热梯度有关。在SCG中，由于其内部和外部温度差异，导致了这种现象，即热滞后效应。而在FM的TG曲线中，随着热解温度的升高，其热解过程向右移动，且其热解主要集中在单一阶段。这与塑料在300至577°C之间发生单一阶段热解的报道相一致。此外，与生物质不同，塑料聚合物在高温下主要通过随机切断C–C键进行热解。

共热解过程中的热解行为被分为两个阶段：第一阶段（200-400°C）和第二阶段（400-550°C）。共热解过程的产物分布受到混合比例和热解温度的影响。在共热解过程中，随着FM比例的增加，酸性产物、糖类和含氮化合物的浓度显著下降，而脂肪族碳氢化合物的含量增加。特别是在高FM比例（如SCG25%FM75%）下，这种趋势更为明显。共热解还促进了脂肪族碳氢化合物的形成，这使得产物更适合作为燃料。研究还发现，共热解过程中，SCG和FM之间的协同效应主要发生在木质素和口罩热解区域（460-500°C）。这表明，SCG在热解过程中形成的炭可能作为催化剂，促进口罩中聚合物的二次裂解。

在共热解过程中，温度对产物分布和热解行为有显著影响。随着热解温度从450°C增加到650°C，酸性化合物、酯类酸、糖类和含氮化合物的相对峰面积显著下降，而脂肪族碳氢化合物的相对峰面积则上升。例如，在SCG75%FM25%的共热解中，450°C时酸性化合物占40.92%，而650°C时这一比例下降至16.83%。这种变化主要归因于聚丙烯（PP）热解过程中释放的氢原子，这些氢原子作为还原剂，促进了木质素的分解。此外，随着温度升高，PP的分解速率加快，从而释放更多的碳氢化合物自由基，这些自由基进一步促进了脂肪族产物的形成。

研究还发现，共热解过程中的活化能（Ea）随着混合比例的变化而变化。在SCG25%FM75%的混合物中，活化能最低（305.1-239 kJ/mol），这表明共热解过程中存在显著的协同效应。活化能的降低可能与SCG和FM之间的热解行为相互作用有关，尤其是在高温区域。这种协同效应不仅降低了反应的能垒，还增加了反应的速率。研究还通过Fraser-Suzuki伪组分解卷积方法，对共热解过程中不同组分的热解行为进行了定量分析。该方法能够将重叠的热解峰分离为独立的伪组分，如SCG中的半纤维素、纤维素和木质素，以及FM中的聚丙烯分解峰。研究发现，随着FM比例的增加，半纤维素和纤维素的峰高度降低，而木质素的峰高度增加，这表明FM的存在对SCG的热解行为产生了显著影响。

此外，研究还探讨了共热解对氮化合物的影响。氮化合物通常不希望出现在燃料级热解油中，但它们的富集可能为制药或化妆品应用提供价值。SCG中的氮含量主要来自其蛋白质成分，而共热解过程中，氮化合物的浓度显著降低，特别是在高FM比例下。这表明，共热解不仅能够减少酸性化合物和氮化合物的含量，还能够提高脂肪族碳氢化合物的比例，从而改善热解油的质量。

从政策角度来看，共热解在处理城市废弃物和医疗废弃物方面具有重要意义。它不仅能够减少对化石燃料的依赖，还能促进联合国可持续发展目标的实现。然而，实现共热解的可持续发展需要完善的废弃物收集基础设施和协调的利益相关者参与。政府机构、研究机构、公共部门和私营企业需要合作，以确保稳定的原料供应，同时避免影响食品安全目标。此外，提高公众意识和推广共热解技术，对于实现循环经济和可持续废弃物管理至关重要。从技术角度看，共热解过程的效率高度依赖于原料特性，尤其是生物质的特性。原料类型、水分含量、热值、热解温度和升温速率等参数显著影响反应动力学和产物分布，从而影响热解油的产量和质量。因此，未来的研究应集中在催化剂开发，以进一步优化共热解产物的组成和产量。

总的来说，这项研究通过热解分析和产物检测，揭示了废弃咖啡渣和口罩共热解的热力学和动力学行为。研究发现，共热解能够有效减少酸性化合物、糖类和含氮化合物的含量，同时提高脂肪族碳氢化合物的比例。此外，共热解过程中，SCG和FM之间的协同效应主要发生在木质素和口罩分解区域，这可能与SCG产生的自由基和氢转移有关。这些发现为共热解技术的推广和应用提供了理论基础，同时也为废弃物管理提供了新的思路。未来的研究应进一步探索如何通过催化剂的开发，提高共热解产物的质量和产量，以实现更高效的废弃物转化和资源回收。