医疗废物处理技术
更新时间：2015-07-31 08:49
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医疗废物携带各种病菌,如果处理不当,易造成疾病的传播,危害人类健康. 因此,有效的医疗废物处理处置技术倍受各国政府关注,已成为重要研究课题(Lee et al . ,1996 ;Mato et al . ,1997 ;Lee et al . ,2004) . 目前,热解被认为是最有发展前景的热过程处理技术,它不仅可以用做独立的固体废物处理方式,将原料转换为更利于应用的高能质物质,如可燃气、燃料油、固态焦炭等,而且是燃烧和气化处理的先决步骤(Zhang et al . ,2003) .
国家环保总局最近启动的《全国医疗废物处置设施建设规划》和《全国危险废物处置设施建设规划》(环办[2003 ]41 号) 中已明确将热解炉工艺纳入医疗废物处置工艺中. 采用热解技术处理医疗废物,首先需要详细了解废物的热解特性、热解机制、行为和规律,并建立适合的模型以确定热解过程的动力学参数.热重分析是研究固体热分解反应机制的一项非常有用的技术,已被广泛应用于研究生物质(Reinaet al . , 1998 ; 刘乃安等, 2001 ; Raveendran et al . ,1996 ; 陈冠益等, 2003) 、城市生活垃圾( S« rumet al . ,2001 ; García et al . ,1995 ; 李斌等,1999) 及各种高聚物(Conesa et al . ,1996 ; Marcilla et al . ,1995)的热解失重动力学和反应机制. 然而,国外鲜有将其应用于研究医疗废物热解特性的报道,国内仅有冉景煜(2003) 和李剑(2004) 分别对5 种和8 种医疗废物组分作了干燥特性和热解特性的研究,但存在医疗废物种类不全和缺乏对热解行为的成因阐述等问题.
在动力学模型方面,前人对生物质、城市生活垃圾、高聚物的热解模型做了大量的研究. 通过总结,分为以下几类: (1) 将物料看作单一组分:a) 一步整体模型(Reina et al . ,1998 ; Li et al . ,2004) ;b) 多步分阶段模型(李斌等,1999 ;李剑,2004) ;c) 整体综合模型(陈冠益等, 2003 ;Conesa et al . ,1996) . (2) 将物料看作混合组分: d) 线性叠加模型(S« rum et al . ,2001 ; García et al . ,1995 ; Font et al . ,1995) . 其中,a模型是简单的基础模型,被广泛使用,针对发生一步热失重的物料,只计算对应的一种表观反应;b 模型针对发生多步热失重的物料,独立计算每步失重所对应的反应,但实际上每步的反应无法完全独立,总会出现交叉;c 模型认为热解存在若干平行或链式反应,并对其进行关联计算,在生物质和高聚物中应用较广,难点是确定物质的热解机制;d 模型适用于多组分物质热解,认为每种组分单独发生反应,再对每组分进行质量加权叠加. 这些模型在描述单物质方面均有很好的结果,然而医疗废物包括多种不同组分,每种组分的热解行为均非常复杂,会同时发生若干平行反应和链式反应,呈现一步或多步热解;并且由于其医疗用品的特殊性,绝大部分组分除含有各种常规的增塑剂、稳定剂外,要经过特殊工艺改性处理,有些如医疗胶布和敷料中还含有药物成分,更令其物理组成和化学组成难以确定,因此,找到一种适用于所有样品并且物理意义明确的整体热解模式成为一个难题. 除简单的一步整体模型外,目前尚未发现一种动力学模型同时适合若干种物质的报道;能用最少的参数模拟热失重过程固然是建模的追求目标,但模型过于简单,则不能正确描述复杂的热解反应.
为较全面、系统地研究医疗废物的热解失重规律及动力学反应机制,使研究结果更具有普遍性和代表性,本文选取基本涵盖医疗废物有机成分的14种典型组分进行热天平实验;并在此基础上提出动力学模型,以期为医疗废物的热解处理工艺提供实验和理论依据.
1 试验( Experiments)
111 实验样品
14 种医疗废物组分材料来源为天津市医科大学总医院. 根据原料的成分,大致分为6 类:塑料类(输液管、尿样盒、一次性医用手套) 、橡胶类(手术手套、导尿管) 、生物质类(棉签棍、卫生纸、纱布、脱脂棉) 、蛋白质类(羊肠缝合线) 、纤维类(敷料内芯) 、混合类(医用胶布、敷料) 和药品类(精致银翘解毒片) .表1 给出了各样品的主要成分和部分样品的元素分析(混合类废物为非均质性物质,药品类废物实质是生物质混合物,均未做元素分析) . 除生物质类、药品类和蛋白质类为天然高分子物质外,其余类别均为合成高分子聚合物. 因此,作者认为可以将医疗废物的热解视为多种高聚物的热解.
112 实验设备和实验方法
实验设备为SHIMADZU 的DTG260H 差热热重分析仪. 试样在流量为20 mL·min - 1 的高纯N2 气氛下进行实验; 坩埚为高温Al2O3 坩埚, 参比物为Al2O3 粉末; 对所有试样, 采用的升温速率β 为20 ℃·min - 1 ,每个实验做2 次以上,保证可再现性;试样的质量、尺度、性状对实验结果均会有一定影响,由于原料比重差别很大,所以加入坩埚的质量分别为2～9 mg 不等,具体数据见表2 ;所有试样破碎到粒度为015 mm 左右,以保证反应过程中试样的温
度均匀;这个数量级的尺寸使得传热和传质等物理效应可以忽略不计,从而造就一个近似为纯粹化学动力学控制的实验环境(Antal et al . ,1980) .
2 实验结果( Results)
14 种医疗废物样品在升温速率为20 ℃·min - 1时的TG和DTG曲线,这14 条曲线基本重合在一起. 为了便于观察和比较其变化规律,将图中的曲线进行了平移分离. 如图所示,由于原料物化性质不同,热解始温和终温不尽相同. 在150 ℃之前,生物质、蛋白质纤维类和药物类等废物由于失水而引起轻微失重;在160～290 ℃之间,热解产物挥发份开始析出,所有试样先后开始显著失重,标志热解过程开始;当升高到600 ℃时,大部分试样均已经缓慢失重,或已近乎停止失重;只有导尿管在680 ℃～780 ℃之间还有一剧烈失重阶段,在800 ℃时,热解基
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