聚酯漆包线漆与其热解产物的共热解行为研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.08.009

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (8): 53-61.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.08.009

聚酯漆包线漆与其热解产物的共热解行为研究

朱光泽¹(), 夏志东¹(), 周炜¹(), 王晓露¹, 吴玉锋¹^,², 郭福¹^,³

^1.北京工业大学材料与制造学部，北京 100124
^2.北京工业大学循环经济研究院，北京 100124
^3.北京信息科技大学机电工程学院，北京 100192

收稿日期:2023-12-04 出版日期:2024-08-26 发布日期:2024-08-19
通讯作者: 夏志东（1967—），女，教授，从事资源循环研究，xiazhd@bjut.edu.cn
周炜（1987—），男，副教授，从事资源循环研究，zhouwei@bjut.edu.cn
E-mail:zhuguangzebjut@163.com;xiazhd@bjut.edu.cn;zhouwei@bjut.edu.cn
作者简介:朱光泽(1999—)，男，硕士研究生，从事资源循环研究，zhuguangzebjut@163.com
基金资助:
国家重点研发计划项目(2019YFC1908004)

Investigation on co⁃pyrolysis of polyester enamel wire and its pyrolysis product

ZHU Guangze¹(), XIA Zhidong¹(), ZHOU Wei¹(), WANG Xiaolu¹, WU Yufeng¹^,², GUO Fu¹^,³

^1.Faculty of Materials and Manufacturing，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China
^2.Institute of Circular Economy，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China
^3.School of Mechanical Electrical Engineering，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192，China

Received:2023-12-04 Online:2024-08-26 Published:2024-08-19
Contact: XIA Zhidong, ZHOU Wei E-mail:zhuguangzebjut@163.com;xiazhd@bjut.edu.cn;zhouwei@bjut.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

将聚酯漆包线及其漆膜分别与漆膜热解所得焦炭进行共热解，利用X射线衍射、形貌分析、热重分析、Coats⁃Redfern积分法、红外分析等方法研究其共热解行为。结果表明，聚酯漆包线漆膜热解所得焦炭的石墨化程度较高且其表面呈褶皱状的微纳结构。虽然焦炭存在继续热解情况，但焦炭的加入不仅可以使聚酯漆膜的质量损失率提高，还可以将其活化能降低16.9 %。此外，焦炭可致使聚酯漆膜热解过程中逸出更多的含有O—H、C=O等含氧官能团物质以及CO₂。研究证明，聚酯漆包线热解所得焦炭与聚酯漆包线共热解后可以进一步促进聚酯漆包线的热解，不仅有助于降低能耗还可以进一步促进废漆包线热解回收铜的发展。

关键词: 聚酯漆包线, 焦炭, 热解动力学, 红外分析

Abstract:

The pyrolysis products of the polyester enameled wire paint （coke） were separately co⁃pyrolyzed with the polyester enameled wire and the paint of the polyester enameled wire. And the co⁃pyrolysis behaviors were investigated by X⁃ray diffraction， morphology analysis， thermogravimetric analysis， Coats⁃Redfern integral method， infrared analysis and other methods. The results indicated that the obtained coke displayed a high degree of graphitization with folded micro⁃nano structure on its surface. Although the coke continued pyrolyzed， it increased the weight loss of the polyester enamel paint and reduced 16.9 % of pyrolysis activation energy when the coke co⁃pyrolyzed with the paint. In addition， the coke could lead to more oxygen⁃containing functional groups such as O—H and C=O and CO₂ to escape during the pyrolysis of polyester paint film. This work demonstrated that the co⁃pyrolysis of coke and polyester enameled wire can further promote the pyrolysis of polyester enameled wire. It can not only contribute to reduce energy consumption， but also further promote the development of copper recovery from waste enameled wires by pyrolysis method.

Key words: polyester enameled wire, coke, pyrolysis kinetics, infrared analysis

中图分类号:

TQ320.1

朱光泽, 夏志东, 周炜, 王晓露, 吴玉锋, 郭福. 聚酯漆包线漆与其热解产物的共热解行为研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(8): 53-61.

ZHU Guangze, XIA Zhidong, ZHOU Wei, WANG Xiaolu, WU Yufeng, GUO Fu. Investigation on co⁃pyrolysis of polyester enamel wire and its pyrolysis product[J]. China Plastics, 2024, 38(8): 53-61.

图/表 11

反应机理		符号	G（α）
化学反应机理	一步反应	F1	-ln（1-α）
	一步半反应	F1.5	2［（1-α）^-1/2-1］
	两步反应	F2	（1-α）^-1-1
	三步反应	F3	［（1-α）^-2-1］/2
扩散机理	一维扩散	D1	α²
	二维扩散	D2	（1-α）ln（1-α）+α
	三维扩散	D3	［1-（1-α）^1/3］²
	四维扩散	D4	1-（2/3）α-（1-α）^2/3
幂率	1/2幂定律反应	P2	α^1/2
	1/3幂定律反应	P3	α^1/3
	指数定律反应	P4	α^1/4
相界面反应机理	一维反应	R1	α
	二维反应	R2	1-（1-α）^1/2
	三维反应	R3	1-（1-α）^1/3
随机成核与生长反应机理	成核生长（n=1.5）	A1.5	［-ln（1-α）］^2/3
	成核生长（n=2）	A2	［-ln（1-α）］^1/2
	成核生长（n=3）	A3	［-ln（1-α）］^1/3
	成核生长（n=4）	A4	［-ln（1-α）］^1/4

表1 常见的热解动力学机理函数

Tab.1 Common pyrolysis kinetic mechanism functions

图1 焦炭的XRD谱图

Fig.1 XRD patterns of the coke

图2 （a）聚酯漆膜，（b）、（c）聚酯漆膜热解后，（d）焦炭热解后，（e）~（g）聚酯漆膜及其热解焦炭共混材料热解后的SEM照片

Fig.2 SEM images of （a） polyester paint film；（b），（c） polyester paint film after pyrolysis；（d） coke after pyrolysis；（e）~（g） polyester paint film and its pyrolyzed coke blended material after pyrolysis

图3 （a）聚酯漆包线，（b）聚酯漆膜与焦炭以及共混物热解时的质量损失率

Fig.3 Mass loss rate during pyrolysis of （a） polyester enameled wire，（b） polyester enameled film with coke as well as blends

图4 （a）聚酯漆膜、（b）焦炭、（c）聚酯漆膜和焦炭共热解TG及DTG曲线

Fig. 4 TG and DTG curves of （a） polyester film，（b） coke， and （c） co⁃pyrolysis of polyester film and coke

图5 （a）漆膜，（b）漆膜和焦炭共热解机理函数拟合图

Fig.5 （a） polyester film and （b） co⁃pyrolysis mechanism function fitting of polyester film and coke

模型	聚酯漆膜			聚酯漆膜+焦炭
模型	A/min^-1	E/kJ·mol^-1	R²	A/min^-1	E/kJ·mol^-1	R²
F1	9.9×10¹¹	164.583 9	0.997 98	5.9×10¹¹	160.318 9	0.996 97
F1.5	4.5×10¹⁴	196.925 4	0.998 56	2.4×10¹⁴	191.903 7	0.996 94
F2	4.8×10¹⁷	234.180 4	0.985 93	2.4×10¹⁷	228.285 8	0.987 82
F3	4.8×10²⁴	320.671 0	0.950 61	1.9×10²⁴	312.714 5	0.952 75
D1	3.2×10¹⁷	241.621 5	0.959 28	1.4×10¹⁷	235.186 4	0.957 60
D2	2.6×10¹⁹	268.600 4	0.975 54	1.1×10¹⁹	261.591 7	0.974 98
D3	3.7×10²¹	303.111 8	0.990 03	1.4×10²¹	295.329 9	0.990 34
D4	4.8×10¹⁹	279.932 4	0.981 38	1.9×10¹⁹	272.674 3	0.981 14
P2	802.6	51.920 9	0.944 38	651.6	50.3745 3	0.941 79
P3	13.5	30.844 9	0.929 85	11.7	29.8472 6	0.926 25
P4	1.5	20.302 8	0.909 35	1.3	19.5794 7	0.904 20
R1	7.8×10⁷	115.157 2	0.955 01	5.2×10⁷	111.981 3	0.953 09
R2	2.8×10⁹	137.413 8	0.982 77	1.8×10⁹	133.755 6	0.982 63
R3	9.5×10⁹	145.894 1	0.989 13	5.9×10⁹	142.053 0	0.989 44
A1	2.5×10⁷	105.945 3	0.996 71	1.7×10⁷	103.135 2	0.997 77
A2	1.1×10⁵	76.630 1	0.996 41	8.5×10⁴	74.5433 2	0.997 54
A3	429.0	47.315 0	0.995 71	357.5	45.9597 9	0.996 98
A4	23.4	32.657 4	0.994 80	20.3	31.6597 1	0.996 24

表2 2种材料不同机理函数拟合后计算的E、A及R2

Tab.2 Calculated E，A and R2 after fitting different mechanism functions for the two materials

图6 （a）聚酯漆膜、（b）焦炭、（c）聚酯漆膜和焦炭共热解产物的FTIR谱图

Fig.6 FTIR spectra of （a） polyester film，（b） coke， and （c） co⁃pyrolysis products of polyester film and coke

图7 （a）聚酯漆膜、（b）聚酯漆膜和焦炭共混材料TG⁃FTIR结果

Fig.7 TG⁃FTIR results of （a） polyester film，（b） TG⁃FTIR of polyester film and coke blended materials

图8 聚酯漆膜热解过程中主要产物逸出情况

Fig.8 Escape of main products during pyrolysis of the polyester film

图9 聚酯漆膜和焦炭产物热解过程中主要产物逸出情况

Fig.9 Escape of main products during pyrolysis of the polyester film and coke products

参考文献 30

1	文博杰，代涛，韩中奎，等.中国铜资源在用存量与二次供应潜力［J］.地球学报，2023，44（02）：325⁃332.
	WEN B J， DAI T， HAN Z K， et al. Copper in⁃use stock and recycling potential in China［J］. Acta Geoscientica Sinica，2023，44（02）：325⁃332.
2	中华人民共和国自然资源部.中国矿产资源报告2022［M］.北京：地质出版社，2022.
3	国家统计局.中国统计年鉴2022［M］.北京：中国统计出版社，2022.
4	中国有色金属工业协会铜业分会［EB/OL］..
5	张楠. 新能源产业发展背景下我国铜资源供需现状与趋势［J］. 中国矿业， 2023， 32 （06）： 2⁃9.
	ZHANG N. Analysis of supply and demand status and trend of copper resources in China under development background of new energy industry［J］. China Mining Magazine， 2023， 32（6）： 2⁃9.
6	Zhou Wei， Zhu Guangze， Cheng Hao，et al. Investigation of EPET，EPEI，and EPU pyrolysis coke acteristics： Thermal decomposition behaviours，pyrolysis products and mechanism［J］.Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2023，175：106203.
7	陈甲斌.中国铜资源保供需要关注的三个问题［J］. 中国国土资源经济，2022，35（10）：4⁃10，74.
	CHEN J B.Three problems need to be concerned regarding China′s copper resource supply guarantee［J］. Natural Resource Economics of China， 2022，35（10）：4⁃10，74.
8	韩见，夏鹏，邢佳韵，等. 后疫情时代中国铜资源供应形势分析［J］. 地球学报， 2021， 42（02）：223⁃228.
	HAN J， XIA P， XING J Y， et al. An analysis of China's copper resources supply situation in the post⁃COVID-19 era［J］. Acta Geoscientica Sinica， 2021， 42（02）： 223⁃228.
9	文进军，陈景达，龚明睿. 漆包线行业VOCs深度治理问题思考与对策［J］. 节能与环保，2023，（06）： 49⁃51.
	WHEN J J， CHEN J D， GONG M R. Problems and countermeasures on deep treatment of VOCs in enameled wire Industry［J］. Energy Conservation and Environmental Protection， 2023，（06）： 49⁃51.
10	胡辰玮，李彬，吴玉锋，等.废有机⁃无机复合材料热解回收技术现状与展望［J］.材料导报，2021，35（21）：21 091⁃21 098，21 112.
	HU C W， LI B， WU Y F， et al. Status and progress of recycling waste organic⁃inorganic composites by pyrolysis［J］. Materials Reports， 2021，35（21）：21 091⁃21 098，21 112.
11	Sanmartín Patricia， Cappitelli Francesca， Mitchell Ralph. Current methods of graffiti removal： A review ［J］.Construction and Building Materials， 2014， 71：363⁃374.
12	Li Bingyi， Wang Xiaolu， Xia Zhidong，et al. Co⁃pyrolysis of waste polyester enameled wires and polyvinyl chloride：Evolved products and pyrolysis mechanism analysis［J］. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2023，169：105816.
13	范春龙，钱立新，丁龙，等.废铜漆包线热解烟气中二噁英的排放特性与减排机理［J］.中国环境科学，2023，43（11）：5 855⁃5 862.
	FAN C L， QIAN L X， DING L， et al. Emission characteristics and abatement mechanism of dioxins in the pyrolysis flue gas of scrap copper enameled wire［J］. China Environmental Science， 2023，43（11）：5 855⁃5 862.
14	李欢欢. 典型热解焦炭对热解气中焦油模化物的催化裂解研究［D］.杭州：浙江大学，2018.
15	陆鹏.废弃物衍生炭基催化剂催化脱除气化焦油的研究［D］. 杭州：浙江大学，2020.
16	Zhang Lei， Shu Hao， Yang Jia. Gas⁃modified pyrolysis coke for in situ catalytic cracking of coal tar［J］. ACS omega， 2020， 5：14 911⁃14 923.
17	Li Jie， Liu Zhengyi， Tian Yuanyu， et al. Catalytic conversion of gaseous tars using land， coastal and marine biomass⁃derived char catalysts in a bench⁃scale downstream combined fixed bed system［J］. Bioresource Technology， 2020， 304：122735.
18	徐靖，王雪，张代林，等. 煤与废轮胎共热解行为及热解焦炭微晶结构研究［J］. 煤炭转化，2022，45 （05）： 53⁃62.
	XU J， WANG X， ZHANG D L， et al. Study on co⁃pyrolysis behavior of coal and waste tires and microcrystalline structure of pyrolytic char［J］. Coal Conversion，2022，45（5）：53⁃62.
19	张浩. 有机固体废弃物热解行为研究［D］. 北京：北京化工大学，2023.
20	马大朝，高伟康，孙翔，等.稻壳与聚氯乙烯共热解的特性及动力学［J］.环境工程，2020，38（01）：135⁃140.
	MA D C， GAO W K， SUN X， et al. Characteristics and kinetics of co⁃pyrolysis of rice husk and PVC［J］. Environmental Engineering， 2020， 38（1）： 135⁃140.
21	Gao N， Li A， Quan C， et al. TG⁃FTIR and Py⁃GC/MS analysis on pyrolysis and combustion of pine sawdust［J］. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis， 2013，100： 26–32.
22	Ding Z， Liu J， Chen H， et al. Co⁃pyrolysis performances， synergistic mechanisms， and products of textile dyeing sludge and medical plastic wastes［J］.Science of the Total Environment， 2021：799.
23	朱光泽，周炜，夏志东，等. 有机废弃物热解分析技术现状与展望［J］. 中国塑料， 2023， 37（11）： 101⁃116.
	ZHU G Z， ZHOU W， XIA Z D， et al. Current situation and prospect of pyrolysis analysis technology of organic wastes［J］. China Plastics， 2023， 37（11）： 101⁃116.
24	孙林. 废纸盒催化热解制备富氢燃气及多孔石墨碳的实验研究［D］.武汉：华中科技大学，2023.
25	李宗儒. 玉米芯综合利用制备芳烃化学品及碳基吸波材料［D］.淮安：安徽理工大学，2023.
26	Wang S， Jiang D， Cao B， et al. Study on the interaction effect of seaweed bio⁃coke and rice husk volatiles during co⁃pyrolysis［J］. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2018，132：111–122.
27	Xu Shannan， Benjamin Bernard Uzoejinwa， Shuang Wang， et al. Study on co⁃pyrolysis synergistic mechanism of seaweed and rice husk by investigation of the characteristics of char/coke［J］. Renewable Energy， 2019， 132：527–542.
28	Liu Wei， Wang Na， Han Junwei， et al. Thermal degradation behaviors and evolved products analysis of polyester paint and waste enameled wires during pyrolysis［J］. Waste Management， 2020， 107：82⁃90.
29	杨琦玲，王儒威.烟煤热解过程分子官能团的演化特征及动力学模型［J］.环境工程，2023，41（07）：138⁃144.
	YANG Q L， WANG R W. Evolution characteristic and kinetic model for functional groups in bituminous coal during pyrolysis ［J］. Environmental Engineering， 2023， 41（7）： 138⁃144.
30	曹子昂，王雷，李皓，等. TG⁃FTIR技术对纤维素和聚氯乙烯共热解的反应特性和产物的分析［J］.塑料科技，2023，51（01）：18⁃24.
	CAO Z A， WANG L， LI H， et al. TG⁃FTIR analysis of reaction characteristics and products of co⁃pyrolysis of cellulose and PVC［J］. Plastics Science and Technology， 2023，51（01）：18⁃24.

聚酯漆包线漆与其热解产物的共热解行为研究

Investigation on co⁃pyrolysis of polyester enamel wire and its pyrolysis product

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 11

参考文献 30

相关文章 1

编辑推荐

Metrics

本文评价