基于模型化合物的污泥热解过程多环芳烃生成与控制研究

Polycyclic aromatic hydrocarbon (PAHs) are persistent toxic substances, and are key contaminants influencing human health and living in Twenty-First Century. PAHs are generated during the whole pyrolysis of wastewater sewage sludge, and are ended up into three phase-pyrolysis products. Comprehensively understanding the mechanisms of formation and transformation of PAHs is crucial for improving the value of bio-fule from sewage sludge pyrolysis and its safe and environment-friendly application. In this project, model compounds containing carbon, oxygen chemical groups will be selected and proposed on the basis of the physical and chemical characteristics of sludge. A series of pyrolysis experiments will be carried out to discuss the transformation behavior of carbon, oxygen chemical groups, investigate the relationship between PAHs formation and the transformation of the studied chemical groups, and characterize the formation and transformation mechanisms of PAHs. A numerical simulation method will be employed to analyze the process of PAHs formation, and a thermo-chemical model of PAHs formation will be built. The density functional theories of quantum chemistry will be used to study the formation path and reaction system of PAHs. Origin of PAHs formation will be investigated based on the pyrolysis properties of different chemical components of sewage sludge. The dynamic correlations between PAHs formation and its formation path, varying compositions of sewage sludge and catalyst pyrolysis will be constructed and studied. Finally, control approaches for controlling the formation and emission of different rings of PAHs will be proposed. The proposed project will provide some significant and innovative ideas and goals for improving the economic properties of the generated pyrolysis products and their safe reutilization, and also be scientific valuable for developing the technology of sludge energy conversation.

PAHs属持久性有毒物质（PTS），是21世纪影响人类生存与健康的重要有机物。研究表明，PAHs形成贯穿整个污泥热解过程，最终分布于三相产物中，全面控制该过程PAHs生成，是提升热解气液燃料性能及其安全利用的关键。本项目拟通过构建切合污泥化学组分和化学基团特征的含碳、含氧基团模型化合物，基于宏观热解过程分析，描述污泥含碳、含氧基团热解演变行为，探索PAHs生成与有机基团演化的关联关系，阐明PAHs生成的动态规律及影响因子；数值模拟模型化合物热解PAHs生成过程，建立PAHs生成的热化学模型；运用量子化学密度泛函理论等，揭示PAHs生成路径和反应体系；解析PAHs生成来源，建立PAHs生成路径、污泥组分单元调控及催化裂解与PAHs生成控制的动态关联，提出PAHs生成的控制途径。本课题的完成将对污泥热解目标产物价值最大化提供新的思维和方法参考，对污泥能源化技术研究和完善等具有重要的学术价值。

任何碳氢有机化合物在不完全燃烧或热解条件下都会生成污染性和致病性极强的有机污染物多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbon，PAHs）。有效控制PAHs类有机污染物生成是污泥热解清洁安全生产与利用等需要解决的问题之一。本课题主要围绕污泥有机结构体热演变特征、热解过程PAHs生成规律与演化规律、污泥热解过程PAHs生成来源、影响PAHs生成控制的重要因素等开展科学研究。.在污泥有机结构体演变机理方面，基于FTIR和XPS分析技术，确定了污泥有机结构体中主要包含羟基（-OH）、醚（C-O）、羧基（-COOH）、苯环（π-π*）、烯基（C=C）等有机官能团。其次，基于TG-FTIR和Py-GC/MS联用技术分析发现，污泥热解主反应阶段（170-570℃）是多步反应占据主导作用，热解温度是影响污泥有机化学基团裂解演变的主要影响因素，并提出了污泥中酸、醛、醇、酚、烯烃及其衍生物等有机结构体的热解转化路径。.开展PAHs生成影响因素及抑制效果分析，阐明了温度等热解反应条件影响PAHs生成水平的变化规律。另外，污泥来源不同、干化程度、添加剂以及脱灰处理等预处理方式变化对热解产物中PAHs富集水平也具有较大差异。污泥挥发分含量、含水率以及碱性添加剂等对热解产物中PAHs的生成有显著影响，在高温条件下格外明显。最值得关注的是，四种不同种类添加剂（CaO、KCl、Na2CO3、Fe2O3）作用下，对16种PAHs抑制作用较显著的是Na2CO3和KCl。为了更全面地对液相产物中PAHs分布规律进行分析，也讨论了高、中、低环PAHs分布规律及毒性因子。高温热解时添加剂对液相产物中PAHs的生成浓度起到不同程度的抑制作用，使得∑16PAHs生成浓度下降了50%以上，其中添加Na2CO3和KCl时抑制效果最明显；低温热解时，四种不同种类添加剂则会促进液相产物中PAHs的生成，添加CaO时促进效果最为明显。添加剂负载量为20%时且在高温条件下更能抑制热解液相产物中PAHs生成。.本课题对于污泥热解工艺完善、目标产物价值最大化等具有重要的科学研究意义；对于大力发展污泥能源清洁化处理技术研发具有普适意义，且有望为污泥二次燃料性能提升及其安全利用提供新的思维和方法参考。