天津商業大学チーム：光硬化型3Dプリント廃棄物の焼却時の汚染物質放出特性に関する研究

出典: 廃棄物管理WeChat公式アカウント

グラフィックアブストラクト

記事のハイライト

●本論文では、新興有機固形廃棄物 PCW の燃焼プロセスと汚染物質放出特性について検討します。
● PCWの燃焼生成物にはシアン化水素などの有毒成分が含まれており、フルオレンとトリフェニレンの含有量は一般的なプラスチックの2倍であることが明らかになりました。
●PAHの放出を抑制する観点から、PCWは、MSWの中で生ごみ、一般プラスチック、木材、竹と一緒に処分するのがより適しているが、ゴム、紙、繊維と一緒に焼却するとVOCの発生と放出が激化すると説明されています。

導入

光硬化型 3D プリンティングは、その成熟した技術、高精度、高速成形速度、強力な応用性により、今日の製造業界で重要な位置を占めています。 10年間の予測期間における光硬化性プラスチックの複合年間成長率は17％と高く、2022年から2027年までの一般的なプラスチックの複合年間成長率の3.32倍です。その結果生じる光硬化性廃棄物（PCW）の生産も急速に増加し、徐々に人々の注目を集めています。

PCW は共有結合で架橋された熱硬化性プラスチックであり、リサイクルや生分解が困難です。製造プロセスの要件により、光開始剤は原材料の 3 ～ 8% を占めますが、そのほとんどは有毒であり、生物や環境に潜在的な危険をもたらします。しかし、PCW は新興の有機固形廃棄物であるため、対象を絞った処分方法やリサイクル方法がまだ確立されていません。日常的に処分された後、PCW は都市ごみ (MSW) とともに焼却される可能性があります。明確な燃焼特性がないため、生産量の増加が環境リスクを増大させるかどうかを調査することが急務となっている。また、廃棄物の分類が進むにつれて、焼却処分プロセス中にPCWとMSWの異なる可燃性成分の間に相互作用効果があるかどうかを説明することも必要になります。

メインコンテンツ

1. PCWの燃焼特性と生成物の組成

まず、TG-MS/FTIR結合システムを使用して、PCW焼却反応プロセスの熱減量段階と熱減量プロセスにおける揮発性有機物の主成分を取得しました。 TG-DTG 曲線によれば、PCW 焼却反応プロセスは次の段階に分けられます。
100〜260℃: 水が蒸発し、オリゴマー、光開始剤、小分子希釈剤、改質剤などの未硬化の小分子構造を含む半揮発性化合物が分解します。

260-495℃：有機ポリマー分解段階、主な分解段階です。ポリウレタン鎖やエポキシアクリレート鎖などの高分子は単純な有機分子と無機分子に分解され、重量減少率は80％に達することがあります。

495〜700℃：バーンアウト段階。

図1 PCW焼却プロセスのTG-DTG曲線図2 PCW焼却プロセスのFTIR曲線
PCW 焼却処理中に生成される揮発性有機化合物は、主に CO、エタン、シクロプロピルカルビノール、シクロブタノール、ホルムアルデヒド、エタノール、2-ヒドロキシエチルメタクリレート、ジイソブチルカルビノール、ラクタム、3,3-ジメチル-4-メチルアミノブタン-2-1 です。

表1 PCW焼却時の揮発性生成物成分

管状炉実験により、PCW焼却条件の酸化実験を実施しました。焼却温度を変えることで、PCW焼却生成物の生成と放出特性、および一般的なプラスチック焼却処分生成物との違いが得られました。結果は次のとおりです。

PCW焼却により発生する排ガスには、主にホルムアルデヒド、シアン化水素、ベンゼンなどの多環芳香族炭化水素の前駆物質が含まれています。そのうち、シアン化水素は有毒であり、環境リスクを引き起こします。

PCW焼却により発生する灰の主成分は、ナフタレン、メチルナフタレン、ビフェニル、アセナフテン、1-ナフトカルボニトリル、フルオレン、メタノール、2-フェニルナフタレン、ピレン、トリフェニルなどの多環芳香族炭化水素であり、環境汚染の原因となります。

PCW焼却により生成されるフルオレンやトリフェニレンなどの多環芳香族炭化水素の含有量は、一般的なプラスチックの2倍です。

図3 PCWと一般的なプラスチック焼却生成物の成分の比較
2. PCWおよびMSW焼却生成物の特性

PCWには対象を絞った処分方法やリサイクル方法がなく、日常廃棄後にMSWとともに焼却される可能性がある現状を考慮し、PCWとMSWを異なる割合で混合して焼却した場合の生成物の生成と放出特性を焼却実験により調査した。研究によると、PCW と MSW の焼却によって生成される製品の組成は、混合比率による影響があまりないことがわかっています。混合焼却を行うと、ナフタレン、シクロヘキサン、ヘプタンなどの化合物の発生量は、一般廃棄物のみを焼却した場合の2倍以上になります。

図4 PCWとMSWの混合焼却前後の生成物成分の比較
3. PCWおよびMSWの可燃性成分の燃焼生成物の特性

PCW をゴムや繊維と一緒に焼却すると、PCW のみを焼却した場合よりも 2 ～ 3 倍多くの PAH が発生します。
PCW と紙を焼却すると、PCW のみを焼却した場合よりも 3 ～ 5 倍多くのヘプタン、ノナン、シクロヘキサン、ピレン、アントラセンが生成されます。
木材や竹と一緒に焼却されたPCWの主要生成物の含有量は10％未満です。
PCW を食品廃棄物や一般的なプラスチックと一緒に焼却した場合、ほとんどの製品の含有量は 5% 未満のままでした。

図5 PCWとMSWにおけるさまざまな可燃性成分の燃焼生成物の組成の比較 (a) 紙、(b) 繊維、(c) ゴム図6 PCWとMSWにおけるさまざまな可燃性成分の燃焼生成物の組成の比較 (a) キッチン廃棄物、(b) 一般的なプラスチック、(c) 木材と竹
結論は

一般的なプラスチックと比較すると、PCW は原料組成中の酸素含有量が比較的高く、表面に光開始剤の残留物があり、焼却には高い活性化エネルギーが必要であり、揮発性生成物には CO、CO2、エステルから分解された飽和脂肪族炭化水素が含まれています。
PCW焼却実験では、PCW焼却生成物にはシアン化水素などの有毒成分が含まれており、フルオレンやトリフェニレンなどの多環芳香族炭化水素の含有量は一般的なプラスチックの2倍であることが示されています。
PCW を MSW と混合して焼却すると、生成されるナフタレン、シクロヘキサン、ヘプタンなどの化合物の量は、MSW のみを焼却した場合の 2 倍以上になります。
PCW と MSW の 6 つの可燃性成分の焼却実験の結果、PCW を厨房廃棄物、一般的なプラスチック、木材、竹とともに焼却して生成された灰は比較的きれいであることがわかりました。一方、ゴム、紙、繊維とともに焼却すると、PAH の生成と放出が激しくなります。

著者について

著者: Chen Guanyi、Song Yuru、Zhang Hongnan、Sun Yunan、Danzeng、Cheng Zhanjun、Yan Beibei 連絡先著者: Sun Yunan、天津商業大学機械工学部、環境エネルギー+Xイノベーションラボ

出版情報

著者: Guanyi Chen、Yuru Song、Hongnan Zhang、Yunan Sun、Dan Zeng、Zhanjun Cheng、Beibei Yan

出版物: 廃棄物管理

出版社: エルゼビア

日付: 2024年10月1日

© 2024 エルゼビア株式会社
オリジナルリンク: https://doi.org/10.1016/j.wasman.2024.07.010

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