通过微波辅助催化共热解烘焙的秋葵种子和废弃膨胀聚苯乙烯来生产芳香富集油

《Journal of Cleaner Production》：Aromatic enriched oil production via microwave-assisted catalytic co-pyrolysis of baked semen abutilon seeds and waste expanded polystyrene

本研究探究了微波辅助下EPS与SAS共热解过程中催化剂（Al?O?、CaO、Fe(NO?)?·9H?O、ZSM-5）对油产率及组成的影响，发现2:1比例下500℃和660W时CaO催化剂最优，油产率达70.53%，热效率47.33%，且显著提升芳烃含量至87.54-91.77面积%。

　　本研究探讨了通过微波辅助共热解技术，将生物基材料和塑料废弃物相结合，以实现废弃物的高附加值利用和燃料升级。具体而言，研究对象是发泡聚苯乙烯（EPS）和Abutilon种子（SAS），并采用金属氧化物（如Al?O?和CaO）、无机盐（如Na?CO?和Fe(NO?)?·9H?O）以及沸石（如ZSM-5）作为催化剂。通过系统分析催化剂种类、微波功率（460–860 W）和热解温度（400–600 °C）对油收率和组成的影响，研究旨在揭示不同条件下如何优化热解过程，从而提高油品的质量和产量。

实验采用EPS与SAS的混合比例为2:1，结果表明在660 W和500 °C的条件下，CaO作为催化剂表现出最佳效果，油收率达到70.53 wt%，热效率为47.33%，回收效率为98.83%。与非催化热解相比，CaO和Al?O?分别提高了油收率35.56%和25.94%，显示出明显的协同效应。此外，Fe(NO?)?·9H?O在油品中表现出较高的热值（42.53 MJ/kg），而ZSM-5则有效降低了油品中的水分含量（从12.60 wt%降至3.37 wt%）。这些结果表明，通过微波辅助共热解技术，SAS和EPS可以作为协同原料，生产出高质量的油品。

EPS作为一种合成聚合物，由长链碳氢化合物构成，其结构中碳原子与苯基交替连接。由于其轻质和优良的隔热性能，EPS被广泛应用于包装、隔热和建筑等领域。然而，EPS的不可降解性使其在废弃物处理后容易造成严重的环境污染。EPS在填埋场中难以分解，会逐渐转化为微塑料，并污染生态系统。这种长期积累对陆地和水生环境构成了潜在威胁，凸显了可持续废弃物管理策略的紧迫性。

热解作为一种热化学分解过程，已被广泛研究用于将废弃塑料和生物质转化为有价值的油品和气体。然而，传统热解方法往往面临高能耗、反应速率慢以及产物收率不稳定等问题，这限制了其整体工艺效率。相比之下，微波辅助热解作为一种创新方法，能够提供快速且均匀的加热，具有更高的能量效率，并能更好地控制反应条件。由于生物质和塑料对微波的吸收能力较差，通常需要添加微波吸收材料以实现有效的加热。碳基材料和金属氧化物因其将微波能量转化为热能的能力较强，常被用于此目的。其中，碳化硅（SiC）因其成本低、出色的热稳定性、高强度以及可重复使用性而受到青睐。

生物油通常因含有较多的含氧化合物（如酸、醛、酮、呋喃和酚）而表现出较差的稳定性及高粘度。相比之下，塑料衍生油主要由芳香烃和脂肪烃组成，更适合用于石化燃料的替代。为了提高热解油的储存稳定性、能量密度和运输性，油品升级是必要的。在多种升级方法中，共热解技术尤其有效，因为氢含量较高的塑料能够弥补生物质中氧含量较高的特性，从而产生协同效应，改善油品性能。这种过程不仅能够产生更符合燃料标准的产品，还比单独热解提供了更高效的废弃物管理方案。

此前已有许多研究探讨了EPS与不同生物质的共热解过程。例如，稻壳与EPS的共热解显著提高了芳香烃的含量，从稻壳单独热解的37.80 area%和EPS单独热解的35.00 area%提升至组合热解的90.70 area%。类似地，将Mahua种子与20.00 wt% EPS混合后，芳香烃的产量从12.85 area%增加到31.88 area%。此外，Karanja种子、Niger种子与EPS的共热解提高了总油收率，同时减少了不可冷凝气体的形成。同样，Sargassum海藻与EPS的共热解降低了氧含量，从9.00 area%降至0.30 area%。Pine木屑与EPS的共热解改善了油品质量，减少了含氧化合物含量（从51.77 area%降至5.04 area%）和水分含量（从18.69 wt%降至0.05 wt%）。Pine针与EPS的共热解降低了表观活化能，相较于单独热解生物质的条件，显示出更优的反应动力学特性。Poplar木与聚苯乙烯的共热解则通过计算值与实验值之间的差异，揭示了协同效应的存在。这些协同效应不仅提升了油品的热值，还使其更适合与传统燃料混合使用。

催化剂的选择对于共热解过程的效率至关重要，因为它能够影响产物对所需碳氢化合物的选择性。催化剂的选择取决于初始热解产物的组成以及目标化合物的类型。例如，CaO在EPS与咖啡渣的共热解中表现出良好的效果，能够促进EPS的分解，生成富含氢的碎片，从而推动Diels-Alder反应和氢转移反应，同时减少醛和酸等含氧化合物的含量。此外，CaO还具有捕获CO?和抑制焦油形成的潜力。另一方面，沸石类催化剂，尤其是ZSM-5，在共热解过程中扮演着不同的角色。在微波辅助EPS与藻类的共热解中，ZSM-5的酸性位点促进了酚、呋喃和酸类化合物向芳香烃的转化，从而提高了油品的热值，同时降低了粘度、密度和闪点。然而，ZSM-5的强酸性可能导致过度裂解，增加不可冷凝气体的生成，从而降低整体油收率。在Bagasse与聚苯乙烯的共热解中也观察到了类似趋势，ZSM-5提高了芳香烃的产量，但降低了总油收率。这归因于ZSM-5的高比表面积（BET）和Langmuir表面积，以及其高微孔结构，这些特性促进了二次裂解的发生。

尽管已有大量研究探讨了EPS与不同生物质的共热解，但Abutilon种子的共热解潜力尚未得到充分研究。Abutilon种子是一种生长迅速的草本植物，属于锦葵科，广泛分布于温带和亚热带地区。在中国，Abutilon种子的年产量约为20,000吨。其种子具有作为热解原料的潜力，能够生产出有价值的油品。然而，目前关于Abutilon种子与EPS共热解的研究几乎空白，这表明在该领域仍存在研究缺口。

因此，本研究聚焦于微波辅助Abutilon种子与EPS的共热解过程，特别关注催化剂对产物向芳香烃选择性的影响。研究目标包括：（a）评估Abutilon种子油的回收可行性；（b）分析催化剂、热解温度（400–600 °C）和微波功率（460–860 W）对产物分布（油、合成气和残渣）、油组成以及共热解过程的热效率、回收效率和转化效率的影响；（c）对生成的油品进行化学组成、水分含量和高热值的表征。通过这些研究，希望进一步揭示微波辅助共热解技术在废弃物处理和能源生产方面的潜力，并为未来相关技术的发展提供理论支持和实践指导。