2020年初全球冠状病毒 (COVID-19) 导致医疗废物，特别是塑料废物的数量增加。塑料废物的增加加剧了塑料废物管理问题，包括需要找到更可持续的处理方法。来自立陶宛能源研究所的Andrius Tamošiūnas博士及其研究团队通过纯二氧化碳等离子体气化将塑料废物 (FFP2型口罩) 可持续地转化为合成气，以回收能源并减少环境污染。此外，作者还评估了等离子气化过程的质量和能量平衡。研究表明，二氧化碳等离子气化是一种很有前景的热化学处理技术，可以实现塑料废物的可持续处理，同时利用二氧化碳等温室气体。
图1. 等离子气化系统。
研究过程与结果
据联合国环境规划署报告，疫情期间医疗废物量从每天每人0.2–0.5公斤增加到3.4公斤。这些废物主要包括口罩、手套、防护服等，其中大部分是聚合物材料。此外，公众使用一次性口罩的数量在疫情期间也大幅增加，2020年每天丢弃的口罩数量高达34亿个。这些问题促使研究者探索更可持续的废物处理方法。
在实验中，CO₂在等离子体炬的作用下被分解为CO和O₂，这一过程为合成气的生成提供了主要的CO成分。随着CO₂-to-C比值的增加，CO和H₂的产率均有所提高，这主要是由于CO₂分解和Boudouard反应的增强。尽管等离子体气化的CGE (47.8%) 低于传统气化方法 (60–80%)，但其在处理复杂废物和调整工艺参数方面的灵活性弥补了这一不足。研究详细评估了等离子体气化过程的物料和能量平衡，发现大部分能量以合成气的形式存在，但也有部分能量以焦油和固体残渣的形式损失。
实验中使用的FFP2口罩由聚丙烯 (PP) 和聚乙烯 (PE) 制成，通过将口罩撕碎并制成直径约8毫米的颗粒，以确保稳定的进料。实验装置包括一个大气压下的DC热弧等离子体炬、一个进料斗、一个螺旋进料器、一个气旋分离器、一个气体冷却器、一个气体燃烧器等。等离子体炬的功率范围为40.6–68.4 kW，能够将CO₂加热到3250–3650 K的高温。实验中，FFP2颗粒从反应器顶部进入，在移动炉排上与高温CO₂等离子体流直接接触，转化为气态产物。未转化的固体炭/灰收集在炉排下方的料斗中。
研究表明，CO₂等离子体气化是一种有前景的热化学处理技术，可用于可持续的塑料废物处理和温室气体的利用。该技术能够在高温下将废物转化为气态化合物和玻璃化固体惰性渣，同时利用CO₂作为等离子体形成气体、热载体和反应物，有助于降低排放。
图2. 在等离子气化炉预热阶段 (不加料FFP2球团) 和气化阶段 (加料FFP2球团)，气体浓度发生变化。
研究总结
本文研究了利用二氧化碳 (CO₂) 等离子体气化技术将医疗塑料废物 (FFP2型口罩) 转化为合成气 (syngas)，以实现可持续的能源回收和减少环境污染。实验使用了40.6–68.4 kW功率的直流 (DC) 热弧等离子体炬，以CO₂作为等离子体形成气体和气化剂。研究发现，当CO₂与碳的比值 (CO₂-to-C ratio) 为2.34时，气化性能最佳。此时，合成气的主要成分 (H₂ + CO) 占80.46 vol.%，其中H₂占24.62 vol.%，CO占55.84 vol.%。合成气的低热值 (LHVsyngas) 为13.88 MJ/Nm³，产率为3.13 Nm³/kgFFP2，焦油含量为23 g/Nm³，碳转化效率 (CCE) 为70.6%，冷气效率 (CGE) 为47.8%。研究还评估了等离子体气化过程的物料和能量平衡，结果表明CO₂等离子体气化是一种有前景的热化学处理技术，可用于可持续的塑料废物处理和温室气体的利用。未来的工作将探索CO₂分解为CO的过程，并优化气化性能，以确定最佳的工艺参数。
原文出自 Sustainability 期刊：https://www.mdpi.com/3201716
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/sustainability
Sustainability 期刊介绍
主编：Marc A. Rosen, University of Ontario Institute of Technology, Canada
期刊涉及人类的环境、文化、经济和社会可持续性，为有关可持续性和可持续发展的研究提供了一个高级论坛。目前期刊已被SCIE，SSCI (Web of Science) 和Scopus等数据库收录。
2023 Impact Factor：3.3
2023 CiteScore：6.8
Time to First Decision：19.7 Days
Acceptance to Publication：2.9 Days
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自MDPI开放科学科学网博客。
链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-3516770-1485115.html?mobile=1
收藏
