钢渣催化市政污泥热解制备低污染气体、生物炭与生物油的多联产技术研究

面对污泥处理难题，重庆理工大学团队创新性地利用钢渣(SSP)催化污泥热解，通过热重-红外联用(TG-FTIR)和PY-GC/MS等技术，发现SSP可降低反应活化能(采用FWO/KAS/Friedman模型计算)，抑制含氮/硫气体释放(减少79.09%氮化物和46.40%羧酸)，并提升生物油品质，为"以废治废"提供绿色解决方案。

　　

随着全球能源需求激增和气候变化加剧，市政污泥处理已成为棘手的环境难题。中国2019年产生780万吨干污泥，欧盟达1300万吨，传统填埋和焚烧方式不仅占用土地，还会释放温室气体和有毒物质。更棘手的是，污泥中含有重金属、病原微生物和有机污染物，直接处置会威胁生态链安全。与此同时，钢铁工业副产品钢渣的年利用率仅30%，大量堆积既浪费资源又污染环境。这两大固体废弃物的协同处理，成为破解环境困局的新思路。

重庆理工大学化学化工学院的研究团队独辟蹊径，将富含FeO、CaO、Al₂O₃等金属氧化物的钢渣粉(SSP)作为催化剂，探索其对污泥热解过程的调控机制。通过热重分析(TGA)发现，添加10% SSP使污泥热解活化能显著降低，采用Flynn-Wall-Ozawa(FWO)、Kissinger-Akahira-Sunose(KAS)和Friedman三种模型计算证实，主要热解阶段符合反应级数模型(Fn)。热重-红外联用(TG-FTIR)显示，SSP能有效抑制H₂S、NH₃等有毒气体释放，X射线光电子能谱(XPS)进一步揭示其对氮/硫元素迁移的调控作用。最令人振奋的是，通过热裂解气相色谱-质谱(PY-GC/MS)分析发现，SSP使生物油中氮化物减少79.09%，羧酸类降低46.40%，大幅提升了油品质量。这项发表于《Journal of Environmental Management》的研究，首次系统阐明了SSP催化污泥热解的多重效应。

关键技术方法包括：采用80目筛分污泥与10% SSP混合制备样品；通过TG-DTG在10-50°C/min升温速率下分析热解特性；运用FWO/KAS/Friedman模型计算活化能；利用TG-FTIR联用技术监测气体产物；采用元素分析仪和XPS研究元素迁移；通过PY-GC/MS解析生物油组分。

【热解动力学特性】
TG曲线显示，SSP使污泥热解最大失重峰温度从305°C降至295°C，表明催化作用加速了有机物分解。动力学分析揭示，SSP使活化能从187.42 kJ/mol降至162.33 kJ/mol（FWO模型），证实其降低反应能垒的效果。

【污染物控制机制】
XPS分析发现，SSP中CaO与SO₂反应生成CaSO₄，使硫固定率提升21.7%；碱性组分中和含氮化合物，使NH₃释放量减少34.8%。元素迁移研究表明，SSP促进N/S向固相产物富集。

【产物品质提升】
生物油GC-MS图谱显示，SSP催化使酚类物质增加23.5%，而致癌性PAHs含量降低62.3%。生物炭比表面积提高至214 m²/g，具备良好吸附性能。

这项研究开创了"以废治废"的新范式：钢渣不仅解决了自身堆积难题，更赋予污泥热解过程"降耗-控污-提质"三重效益。通过精准调控氮/硫元素流向，实现了污染物原位固定与资源定向转化，为发展"无废城市"提供了关键技术支撑。特别值得注意的是，该工艺无需昂贵催化剂，仅需简单物理混合即可实现，具有显著的工业化应用前景。未来研究可进一步优化SSP粒径与添加比例，探索其在连续化热解装置中的催化稳定性。