废机油溶胀废旧汽车轮胎的热解动力学及快速红外热解行为：机理研究与产物提质

《Process Safety and Environmental Protection》：Pyrolysis Kinetics and Rapid Infrared Pyrolysis Behavior of Waste Vehicle Tires Swollen by Waste Engine Oil: Mechanistic Insights and Product Upgrading

　　

摘要

采用废机油溶胀来增强废轮胎 (WT) 的热解，并调节快速红外热解产物的分布和质量。结合热重分析、KAS 和 FWO 等转化率方法、FS-DAEM 重构以及红外快速热解来评估热分解、反应动力学和产物升级。溶胀将 WT 的主分解向低温方向移动并降低了平均表观活化能，表明热解的总体能量壁垒降低。FS-DAEM 将重叠的分解解析为三个伪组分，确认了分阶段动力学行为。在红外快速热解期间，溶胀使焦油收率从 48.28% 增加到 66.37%，气体收率从 3.09% 增加到 8.85%，同时将半焦收率从 45.81% 降低到 23.11%。H₂、CH₄ 和 C₂-C₃ 烃的增加使气体低位热值从 12.21 提高到 22.50 MJ/m3。GC-MS 显示热解油的芳香分从 14.77% 增加到 79.74%，而脂肪族和酸性物质显著减少。这些结果表明，废机油溶胀促进了挥发分释放，增强了气体燃料质量，并有利于芳香族物质富集，从而升级了 WT 热解产物。

引言

全球车队的快速扩张导致废轮胎产生量持续增加，使废轮胎成为日益严重的环境负担和重要的二次碳资源 (Dai 等，2025)。全球每年产生约 15 亿条废轮胎，相当于超过 1700 万吨，其中中国和美国贡献了总量的主要份额 (Zheng 等，2026)。废轮胎主要由天然橡胶、合成橡胶、炭黑和各种添加剂组成 (Du 等，2026，Guo 等，2025)。在硫化过程中，这些组分形成高度稳定的三维交联网络，这赋予废轮胎在自然条件下极强的抗生物降解和抗光化学分解能力 (Zou 等，2027)。因此，废轮胎的大规模积累不仅占用土地并成为蚊子和疾病媒介的栖息地，而且由于其高度易燃性还构成了相当大的火灾风险 (Deng 等，2025)。一旦点燃，废轮胎会释放有毒污染物，包括二噁英和多环芳烃，导致严重的二次环境污染 (Zeng 等，2024)。

传统的处置和回收路线，包括填埋、焚烧、轮胎翻修和橡胶粉生产，仍受限于土地占用、污染物排放、利用率低和经济可行性不足 (Qui?ones-Jurado 等，2026，Duan 等，2025，Han 等，2024，Karin 等，2025)。因此，热解引起了越来越多的关注，因为它可以在缺氧条件下将废轮胎高度交联的橡胶基质转化为富油、可燃气体和碳质残渣，为废轮胎增值提供了一条有效途径 (Zang 等，2026)。然而，废轮胎致密的交联结构限制了热转换过程中的传热和传质，从而限制了反应效率并影响产物分布。为了克服这种结构限制，最近提出了溶胀预处理作为一种修改橡胶基质的有效策略。(Sirisangsawang 等，2026)。在此过程中，有机介质渗透进入橡胶网络并减弱聚合物链之间的分子间作用力，从而增加孔隙体积，改善反应可及性，并为随后的热解创造更有利的条件。

加热模式在决定快速热解条件下的热解行为和产物分布方面起着关键作用，红外快速热解作为研究快速热转换的一项有前途的技术脱颖而出。红外加热固定床反应器提供了对加热速率的精确控制，同时能够容纳克级样品，从而允许系统地研究加热速率效应。Zeng 等报告称，生物质和废旧锂离子电池的共热解产生了富含长链烷烃的热解油，同时实现了高效的锂回收率 (Zeng 等，2026)。微波辅助热解也被报道能够与传统加热相比实现快速能量传递并改善产物质量 (Y. Cui 等，2023；M. Li, Hu 等，2025)。红外加热可实现的高加热速率可以更接近快速热解条件，同时允许高效回收热解产物，使其适合研究废轮胎的快速热解行为。

详细的动力学和热力学理解对于解释废轮胎热解和调节产物形成至关重要。热重分析 (TGA) 被广泛用于表征热降解行为，而等转化率方法，包括 Flynn-Wall-Ozawa (FWO)、Kissinger-Akahira-Sunose (KAS) 和 Friedman 方法，可以在不需要预定义反应模型的情况下确定表观活化能 (S. Cui 等，2025)。这些方法揭示了活化能对转化率的依赖性，并提供了对热解反应性演变的见解。然而，每种方法都有其固有的局限性。FWO 和 KAS 依赖于温度积分近似，可能会引入系统偏差，而 Friedman 方法基于微分数据，因此对实验噪声更敏感 (S. Li 等，2026)。因此，必须联合使用多种动力学方法来交叉验证动力学参数并提高其可靠性 (C. Li, Li 等，2023)。此外，热力学量，包括焓变、吉布斯自由能变和熵变，提供了关于热解期间能量需求、反应可行性和无序程度的补充信息。

章节片段

材料

用作热解原料的废轮胎和废机油收集自重庆大学附近的一家汽车修理厂。将废轮胎切成小块，通过 20 目筛筛选，并在 85 °C 恒温箱中干燥 24 小时。根据 GB/T 30732-2014 对样品进行工业分析，同时使用 Unicube 元素分析仪 (Elementar, 德国) 进行元素分析。分析结果列于表 S1。

实验设备与步骤

实验

热重与特征分析

不同加热速率下 WT 和 SW 的 TG 和 DTG 曲线如图 1 所示。热解过程可分为三个主要阶段：水分蒸发、初级失重和最终稳定 (Zeng 等，2024)。对于 WT，观察到两个主要的失重区域：30 至 250 °C 的水分去除和 250 至 500 °C 的有机物分解。相比之下，SW 的主要分解发生在 200-500 °C 之间，其中大约 94% 的总质量

结论

本研究调查了 SW 和 WT 的热解动力学、热力学行为和快速红外热解特性。TG-DTG 结果表明，废机油溶胀将 WT 的主热解阶段移至较低温度范围并促进了挥发分释放。KAS 和 FWO 分析表明，与 WT 相比，SW 表现出较低的平活化能，证明溶胀处理降低了热解的总体能量壁垒。FS-DAEM 进一步解析了

未引用参考文献

(Li et al. (2025))

CRediT 作者贡献声明

胡二峰： 写作 – 审阅与编辑，监督，经费获取，概念化。董润： 写作 – 初稿，调查，数据整理，概念化。朱传强： 监督。李墨山： 概念化。梁红祥： 写作 – 初稿，方法论。陈世雄： 数据整理，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金 (22578038)、重庆市基础研究资金 (Nos. 2021XM3073, 2019LY41 和 Z20240346) 提供的财政支持。深深感谢重庆大学分析与测试中心的秦世江和尹威。

董润 | 胡二峰 | 朱传强 | 李墨山 | 梁红祥 | 陈世雄