廢橡膠熱解特性研究

潘雪 朱陽 董昕 史婉君

中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院，北京 100083

廢橡膠熱解特性研究

潘雪 朱陽 董昕 史婉君

中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院，北京 100083

本文試驗研究了熱解溫度、保溫時間、起始溫度和物料粒度對廢橡膠熱解的影響及其顯著性。試驗結果表明：熱解溫度和保溫時間對熱解固相和液相的產率影響明顯，其中熱解溫度的影響最為顯著。在初始溫度60℃，保溫時間20min,加熱溫度為500℃條件熱解廢橡膠，熱解油的產率最高，達到20.13%。熱解油的傅里葉變換紅外光譜(FT－IR)分析表明:熱解油中含有飽和烷烴和芳香結構物質，并且有含氧、含氮等極性官能團，還存在碳碳雙鍵。

廢橡膠；熱解；熱解油；紅外分析

隨著現代工業的發展，全世界每年的橡膠需求量快速增長，隨之產生大量的廢橡膠。廢橡膠作為有機高分子化合物，在自然環境中不易降解，處理不當就會造成嚴重的環境污染。

研究表明：橡膠熱解可產生低分子有機液態物質、氣態碳氫化合物和炭殘渣，這些產品可進一步加工轉化成高附加值的產品，如炭黑可制備成藥用炭，液態產品可直接作為替代燃料使用，亦可蒸餾后按不同餾分轉化成化工產品,氣態產品可直接作為燃料[1]。我國廢橡膠主要利用技術有：再生橡膠、膠粉技術、熱化學利用和燃燒熱利用等[2-4]。

本文針對實驗室廢棄的防靜電臺膠，研究了熱解溫度、保溫時間和物料粒度對其熱解產物的影響規律，通過正交試驗考察了各因素對熱解的顯著性影響，借助紅外光譜分析廢橡膠熱解油的官能團，為廢橡膠的熱解油的進一步加工利用提供依據。

1 試驗裝置與試驗方法

實驗裝置如圖1所示，主要由管式電爐、電爐溫度控制器、冷凝裝置和尾氣處理裝置組成。試驗所用廢橡膠來自實驗室廢棄的防靜電臺膠。

圖1 裝置示意圖

試驗步驟：將原料切割成不同大小的切片后放入石英管中，設定熱解溫度后進行加熱。熱解揮發物經冷凝裝置后冷凝收集。試驗后,將殘留在管中的炭黑和經冷凝收集的熱解油分別稱重，計算產率，熱解氣體產率通過減量法計算。

橡膠的熱解受到熱解溫度、熱解時間、催化劑、粒度和加熱速率等因素的影響[2]。本文主要考察熱解溫度、保溫時間和粒度對廢橡膠熱解產物產率的影響，并分析了熱解油的官能團。

2 試驗結果與分析

2.1 溫度對熱解的影響

改變熱解爐的熱解溫度，考察溫度對熱解產物產率的影響。廢橡膠粒度為20mm，保溫時間為20min，試驗結果如圖2所示。

圖2 熱解溫度與炭黑、熱解油產率之間的關系

由圖2可以看出：廢橡膠在熱解過程中，熱解炭黑產率隨熱解溫度的升高而下降，在400～450℃炭黑產率降低較快，其后隨溫度升高，炭黑產率下降緩慢。熱解油的產率隨熱解溫度升高而增加，在熱解溫度為450℃左右達到最大值，隨著溫度繼續上升，熱解油的產率有所下降，當溫度為600℃開始熱解產率又呈上升趨勢，溫度650℃左右時熱解油產率又隨溫度的增加而降低，這是因為高溫情況下熱解油和炭黑深度裂解造成的。

可見，當熱解溫度控制在400～500℃之間，熱解油的產率較高，并且能耗相對較少。同時得到最低的廢品氣體，和比較多的固體炭黑。

2.2 保溫時間對熱解的影響

物料粒度為20mm，熱解溫度為500℃，改變熱解爐的保溫時間，考察保溫時間對廢橡膠熱解的影響。試驗結果如圖3所示。

圖3 保溫時間與炭黑、熱解油產率之間的關系

從圖3可以看出：在相同熱解溫度下，保溫時間從0～40min變化，熱解炭黑的產率隨溫度增加變化不大，基本維持在72%的水平上。而對于熱解油，隨保溫時間增加，熱解油產率呈現先增加后減小的趨勢，在保溫時間為20min達到最大，為20.13%。

2.3 粒度對熱解的影響

加熱時間500℃，保溫時間為20min，改變廢橡膠的入料粒度，考察粒度對廢橡膠熱解產品產率的影響。在加熱溫度為500℃，保溫時間為20min,試驗結果如表1所示。

表1 廢橡膠在不同粒度下熱解時的炭黑及熱解油產率

從表1可以看出：在其他熱解條件相同的條件下，改變廢橡膠的粒度(分別為10mm和20mm)，熱解生成的炭黑和熱解油產率變化很小，可以認為較粗粒度條件下，粒度的改變對熱解產物的產率影響甚小。

2.4 顯著性分析

前述試驗表明：橡膠熱解的初始溫度、保溫時間和熱解溫度對廢橡膠熱解產物產率有影響，為進一步考察這些因素對廢橡膠熱解影響，本文采用L9(34)正交表設計實驗[5]進行分析，正交試驗條件及結果如表2所示。

表2 正交實驗表

極差分析表明：熱解溫度對熱解油產率的極差最大為18.03%，其次為保溫時間和初始溫度，極差分別為11.19%和5.49%。方差分析表明：在置信度α＝0.1水平下，熱解溫度對熱解油產率影響最為顯著，起始溫度和保溫時間均不顯著。綜合分析得出：廢橡膠最佳的熱解條件是，熱解溫度500℃，保溫時間20 min，起始溫度60℃。

3 熱解油的FT-IR分析

實驗室采用Nicolet公司生產的Nexus670型傅立葉變換紅外光譜儀對保溫時間為20min，熱解溫度分別為400℃、500℃、600℃和700℃條件的廢橡膠的熱解油進行FT-IR分析，圖4為熱解油的紅外光譜圖，表3為熱解油紅外譜圖吸收峰的歸屬，可以看出，所有熱解油的紅外譜圖基本相似。

圖4 熱解油的FT-IR圖

表3 熱解油的紅外譜圖中吸收峰的歸屬

光譜分析表明：廢橡膠熱解油中含有飽和烷烴和一些具有芳香結構的物質，而且還有含氧含氮的極性官能團，這些特征表明廢橡膠熱解油可以用作煤泥浮選捕收劑。

4 結論

（1）加熱溫度是影響廢橡膠熱解產率的主要原因，隨著溫度的升高，橡膠熱解油產率增大， 600℃時達到最大值。最佳的熱解條件是：初始溫度為60℃，保溫時間為20min，加熱溫度為500℃，熱解油產率達到20.13%。

（2）FT-IR分析表明，熱解油中含有飽和烷烴、含芳香結構物質和含氧含氮的極性官能團，具備作為煤泥浮選捕收劑的條件。

[1] 劉陽生,白慶中,李迎霞,等. 廢輪胎的熱解及其產物分析[J].環境科學.2000,21:85-88

[2] 張志霄.廢輪胎回轉窯熱解特性及應用研究[D].浙江大學博士學位論文.2002

[3] 范仁德.廢橡膠綜合利用及發展方向[J].天津橡膠.1989，1：56-62

[4]黃科，高慶華，唐黎華，等.廢輪胎的熱解行為[J] .華東理工大學學報(自然科學版).2005，31(5):567-570

[5] 趙選民.實驗設計方法[M].北京：科學出版社. 2006

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.14.013