废橡胶热解特性研究

潘雪 朱阳 董昕 史婉君

中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京 100083

废橡胶热解特性研究

潘雪 朱阳 董昕 史婉君

中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京 100083

本文试验研究了热解温度、保温时间、起始温度和物料粒度对废橡胶热解的影响及其显著性。试验结果表明：热解温度和保温时间对热解固相和液相的产率影响明显，其中热解温度的影响最为显著。在初始温度60℃，保温时间20min,加热温度为500℃条件热解废橡胶，热解油的产率最高，达到20.13%。热解油的傅里叶变换红外光谱(FT－IR)分析表明:热解油中含有饱和烷烃和芳香结构物质，并且有含氧、含氮等极性官能团，还存在碳碳双键。

废橡胶；热解；热解油；红外分析

随着现代工业的发展，全世界每年的橡胶需求量快速增长，随之产生大量的废橡胶。废橡胶作为有机高分子化合物，在自然环境中不易降解，处理不当就会造成严重的环境污染。

研究表明：橡胶热解可产生低分子有机液态物质、气态碳氢化合物和炭残渣，这些产品可进一步加工转化成高附加值的产品，如炭黑可制备成药用炭，液态产品可直接作为替代燃料使用，亦可蒸馏后按不同馏分转化成化工产品,气态产品可直接作为燃料[1]。我国废橡胶主要利用技术有：再生橡胶、胶粉技术、热化学利用和燃烧热利用等[2-4]。

本文针对实验室废弃的防静电台胶，研究了热解温度、保温时间和物料粒度对其热解产物的影响规律，通过正交试验考察了各因素对热解的显著性影响，借助红外光谱分析废橡胶热解油的官能团，为废橡胶的热解油的进一步加工利用提供依据。

1 试验装置与试验方法

实验装置如图1所示，主要由管式电炉、电炉温度控制器、冷凝装置和尾气处理装置组成。试验所用废橡胶来自实验室废弃的防静电台胶。

图1 装置示意图

试验步骤：将原料切割成不同大小的切片后放入石英管中，设定热解温度后进行加热。热解挥发物经冷凝装置后冷凝收集。试验后,将残留在管中的炭黑和经冷凝收集的热解油分别称重，计算产率，热解气体产率通过减量法计算。

橡胶的热解受到热解温度、热解时间、催化剂、粒度和加热速率等因素的影响[2]。本文主要考察热解温度、保温时间和粒度对废橡胶热解产物产率的影响，并分析了热解油的官能团。

2 试验结果与分析

2.1 温度对热解的影响

改变热解炉的热解温度，考察温度对热解产物产率的影响。废橡胶粒度为20mm，保温时间为20min，试验结果如图2所示。

图2 热解温度与炭黑、热解油产率之间的关系

由图2可以看出：废橡胶在热解过程中，热解炭黑产率随热解温度的升高而下降，在400～450℃炭黑产率降低较快，其后随温度升高，炭黑产率下降缓慢。热解油的产率随热解温度升高而增加，在热解温度为450℃左右达到最大值，随着温度继续上升，热解油的产率有所下降，当温度为600℃开始热解产率又呈上升趋势，温度650℃左右时热解油产率又随温度的增加而降低，这是因为高温情况下热解油和炭黑深度裂解造成的。

可见，当热解温度控制在400～500℃之间，热解油的产率较高，并且能耗相对较少。同时得到最低的废品气体，和比较多的固体炭黑。

2.2 保温时间对热解的影响

物料粒度为20mm，热解温度为500℃，改变热解炉的保温时间，考察保温时间对废橡胶热解的影响。试验结果如图3所示。

图3 保温时间与炭黑、热解油产率之间的关系

从图3可以看出：在相同热解温度下，保温时间从0～40min变化，热解炭黑的产率随温度增加变化不大，基本维持在72%的水平上。而对于热解油，随保温时间增加，热解油产率呈现先增加后减小的趋势，在保温时间为20min达到最大，为20.13%。

2.3 粒度对热解的影响

加热时间500℃，保温时间为20min，改变废橡胶的入料粒度，考察粒度对废橡胶热解产品产率的影响。在加热温度为500℃，保温时间为20min,试验结果如表1所示。

表1 废橡胶在不同粒度下热解时的炭黑及热解油产率

从表1可以看出：在其他热解条件相同的条件下，改变废橡胶的粒度(分别为10mm和20mm)，热解生成的炭黑和热解油产率变化很小，可以认为较粗粒度条件下，粒度的改变对热解产物的产率影响甚小。

2.4 显著性分析

前述试验表明：橡胶热解的初始温度、保温时间和热解温度对废橡胶热解产物产率有影响，为进一步考察这些因素对废橡胶热解影响，本文采用L9(34)正交表设计实验[5]进行分析，正交试验条件及结果如表2所示。

表2 正交实验表

极差分析表明：热解温度对热解油产率的极差最大为18.03%，其次为保温时间和初始温度，极差分别为11.19%和5.49%。方差分析表明：在置信度α＝0.1水平下，热解温度对热解油产率影响最为显著，起始温度和保温时间均不显著。综合分析得出：废橡胶最佳的热解条件是，热解温度500℃，保温时间20 min，起始温度60℃。

3 热解油的FT-IR分析

实验室采用Nicolet公司生产的Nexus670型傅立叶变换红外光谱仪对保温时间为20min，热解温度分别为400℃、500℃、600℃和700℃条件的废橡胶的热解油进行FT-IR分析，图4为热解油的红外光谱图，表3为热解油红外谱图吸收峰的归属，可以看出，所有热解油的红外谱图基本相似。

图4 热解油的FT-IR图

表3 热解油的红外谱图中吸收峰的归属

光谱分析表明：废橡胶热解油中含有饱和烷烃和一些具有芳香结构的物质，而且还有含氧含氮的极性官能团，这些特征表明废橡胶热解油可以用作煤泥浮选捕收剂。

4 结论

（1）加热温度是影响废橡胶热解产率的主要原因，随着温度的升高，橡胶热解油产率增大， 600℃时达到最大值。最佳的热解条件是：初始温度为60℃，保温时间为20min，加热温度为500℃，热解油产率达到20.13%。

（2）FT-IR分析表明，热解油中含有饱和烷烃、含芳香结构物质和含氧含氮的极性官能团，具备作为煤泥浮选捕收剂的条件。

[1] 刘阳生,白庆中,李迎霞,等. 废轮胎的热解及其产物分析[J].环境科学.2000,21:85-88

[2] 张志霄.废轮胎回转窑热解特性及应用研究[D].浙江大学博士学位论文.2002

[3] 范仁德.废橡胶综合利用及发展方向[J].天津橡胶.1989，1：56-62

[4]黄科，高庆华，唐黎华，等.废轮胎的热解行为[J] .华东理工大学学报(自然科学版).2005，31(5):567-570

[5] 赵选民.实验设计方法[M].北京：科学出版社. 2006

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.14.013