染色污泥与生物质共焚烧过程中微塑料的热转化特性及氯循环调控机制

本文系统探究了蟹壳（CS）、火龙果皮（PP）和稻壳（RH）三类典型生物质与含PVC微塑料（MPs）的染色污泥（DS）共焚烧过程。研究发现生物质添加剂通过无机成分（Ca/K/Si）的催化作用显著降低PVC降解温度，抑制HCl排放（最高95.70%），并通过形成含氯矿物（羟基磷灰石/钙硝石/钾石盐）实现氯固定。该研究为DS与富钙生物质协同处置提供了同时实现MPs降解和污染控制的创新策略。

　　

Highlight

• 生物质灰分中CaO（CS）、K₂O（PP）和SiO₂（RH）主导催化反应

• 生物质使MPs-生物质混合物的质量损失和燃点/燃尽温度提前

• 共焚烧实现95.70%的HCl抑制率和443.44 mg/g的氯固定容量

• 蟹壳（CS）通过Ca-HCl反应形成羟基磷灰石[Ca₅(PO₄)₃(OH)]和钙硝石(CaCl₂)

Materials

选用<75 μm的PVC颗粒（Sigma-Aldrich）作为DS中代表性MPs。研磨至<75 μm的蟹壳（CS）、火龙果皮（PP）和稻壳（RH）分别作为富钙/富钾/富硅生物质辅助燃料。根据DS中MPs浓度报告及共焚烧系统优化比例，选择0.35:1和1:1的PVC-生物质质量比。

TG-MS experiment

使用热重分析-质谱联用系统（Mettler Toledo，瑞士）在30-1000°C温度范围（10°C/min升温速率）和空气气氛（50 mL/min流速）下分析样品燃烧行为。实时监测气相产物（m/z=18-H₂O, 44-CO₂, 36-HCl）。

Biomass characteristics

如表1所示，生物质具有高碳含量（31.92–37.76%）和高挥发分（67.57–68.05%），其中CS以CaO（83.85%）为主，PP富含K₂O（75.06%），RH以SiO₂（88.19%）为主导灰分成分。

Conclusions

生物质灰分中的无机成分（Ca/K/Si）对MPs降解表现出催化效应。共焚烧过程中生物质提高脱氯化氢阶段的活化能（抑制HCl释放），同时降低挥发分/焦炭氧化阶段的活化能（催化降解）。CS通过Ca-HCl反应形成含氯矿物（羟基磷灰石/钙硝石/钾石盐），展现出最优的氯固定能力。