烃类富集石油残渣的热重分析与非等温动力学研究：热解转化路径及能量需求解析

本研究针对烃类富集石油残渣(HRPR)的环境处置难题，创新性地采用5/10/15 K/min升温速率的热重分析(TGA)结合Kissinger、Ozawa-Flynn-Wall和Coats-Redfern三种动力学模型，揭示了HRPR三阶段热解机制(活化能106.64-199.54 kJ/mol)，证实热解可将有害废物转化为含37.81wt%C、5.71wt%H、51.33wt%O的生物炭和富能气体，为石油工业循环经济提供可持续解决方案。

　　

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石油工业每年产生大量烃类富集石油残渣(HRPR)，这种半固态废物积聚在储油罐底和炼油厂，含有20-50wt%碳、4-50wt%氧及硫等污染物。传统焚烧、固化等处理方法不仅无法彻底分解污染物，还会产生二次污染。如何实现HRPR的无害化与资源化，成为制约石油行业绿色发展的关键瓶颈。

在这项发表于《Sustainable Chemistry for Climate Action》的研究中，May Ali Alsaffar团队创新性地提出热解转化技术路线。研究人员采用热重分析仪(Perkin Elmer STA6000)在5/10/15 K/min升温速率下获取HRPR热降解数据，结合差示扫描量热仪(TA Instruments DSC Q2000)分析能量变化，通过Kissinger、Ozawa-Flynn-Wall和Coats-Redfern三种动力学模型解析转化机制。样品来自伊拉克当地炼油厂，经干燥粉碎后通过CHNS元素分析仪测定其含碳量37.81wt%、氢5.71wt%、氧51.33wt%。

材料与方法

研究团队从伊拉克炼油厂获取HRPR样品，经干燥粉碎后，采用氮气环境下的热重分析(200 mL/min流量)记录298-1073K范围内的质量损失曲线。通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)在3428.44 cm^-1(O-H/N-H)、2921.81 cm^-1(C-H)等波段确认官能团组成。

热重与差示扫描量热分析

TG曲线显示HRPR热解存在三阶段：370-423K水分蒸发、450-940K主降解区(最大失重率0.8mg/min)和碳化阶段。DSC在440K出现显著吸热峰，对应C-H键断裂所需能量。升温速率提高使降解峰向高温区偏移，但未改变反应路径特征。

非等温动力学建模

Kissinger模型计算三阶段活化能分别为77.38kJ/mol(脱水)、386.66kJ/mol(主降解)和134.58kJ/mol(碳化)。Ozawa-Flynn-Wall模型显示转化率0.25时活化能最高(145.12kJ/mol)，而0.35时骤降至56.94kJ/mol。Coats-Redfern模型拟合表明二维扩散机制(D2模型，R²=0.996)最能描述热解过程，其127.12kJ/mol活化能与挥发分穿越生物炭层的扩散能垒相符。

研究结论

该研究首次系统阐明了HRPR热解的三阶段动力学特征，平均活化能106.64-199.54kJ/mol的精确测定为反应器设计提供关键参数。特别值得注意的是，二维扩散机制的确认揭示了产物气体穿越炭层的传质限制是速率控制步骤。将有害废物转化为含氧生物炭(51.33wt%O)的技术路径，不仅解决了HRPR的环境风险，其产物还可用于土壤改良和清洁能源生产。这项研究为石油工业建立"废物-能源-材料"的闭环系统提供了理论依据和技术支撑，对实现联合国可持续发展目标(SDGs)中的负责任消费与生产具有重要实践意义。