醫(yī)療廢物攜帶各種病菌,如果處理不當(dāng),易造成疾病的傳播,危害人類健康. 因此,有效的醫(yī)療廢物處理處置技術(shù)倍受各國政府關(guān)注,已成為重要研究課題(Lee et al . ,1996 ;Mato et al . ,1997 ;Lee et al . ,2004) . 目前,熱解被認為是最有發(fā)展前景的熱過程處理技術(shù),它不僅可以用做獨立的固體廢物處理方式,將原料轉(zhuǎn)換為更利于應(yīng)用的高能質(zhì)物質(zhì),如可燃氣、燃料油、固態(tài)焦炭等,而且是燃燒和氣化處理的先決步驟(Zhang et al . ,2003) .

 

    國家環(huán)保總局最近啟動的《全國醫(yī)療廢物處置設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》和《全國危險廢物處置設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》(環(huán)辦[2003 ]41 號) 中已明確將熱解爐工藝納入醫(yī)療廢物處置工藝中. 采用熱解技術(shù)處理醫(yī)療廢物,首先需要詳細了解廢物的熱解特性、熱解機制、行為和規(guī)律,并建立適合的模型以確定熱解過程的動力學(xué)參數(shù).熱重分析是研究固體熱分解反應(yīng)機制的一項非常有用的技術(shù),已被廣泛應(yīng)用于研究生物質(zhì)(Reinaet al . , 1998 ; 劉乃安等, 2001 ; Raveendran et al . ,1996 ; 陳冠益等, 2003) 、城市生活垃圾( S« rumet al . ,2001 ; García et al . ,1995 ; 李斌等,1999) 及各種高聚物(Conesa et al . ,1996 ; Marcilla et al . ,1995)的熱解失重動力學(xué)和反應(yīng)機制. 然而,國外鮮有將其應(yīng)用于研究醫(yī)療廢物熱解特性的報道,國內(nèi)僅有冉景煜(2003) 和李劍(2004) 分別對5 種和8 種醫(yī)療廢物組分作了干燥特性和熱解特性的研究,但存在醫(yī)療廢物種類不全和缺乏對熱解行為的成因闡述等問題.

 

    在動力學(xué)模型方面,前人對生物質(zhì)、城市生活垃圾、高聚物的熱解模型做了大量的研究. 通過總結(jié),分為以下幾類: (1) 將物料看作單一組分:a) 一步整體模型(Reina et al . ,1998 ; Li et al . ,2004) ;b) 多步分階段模型(李斌等,1999 ;李劍,2004) ;c) 整體綜合模型(陳冠益等, 2003 ;Conesa et al . ,1996) . (2) 將物料看作混合組分: d) 線性疊加模型(S« rum et al . ,2001 ; García et al . ,1995 ; Font et al . ,1995) . 其中,a模型是簡單的基礎(chǔ)模型,被廣泛使用,針對發(fā)生一步熱失重的物料,只計算對應(yīng)的一種表觀反應(yīng);b 模型針對發(fā)生多步熱失重的物料,獨立計算每步失重所對應(yīng)的反應(yīng),但實際上每步的反應(yīng)無法完全獨立,總會出現(xiàn)交叉;c 模型認為熱解存在若干平行或鏈?zhǔn)椒磻?yīng),并對其進行關(guān)聯(lián)計算,在生物質(zhì)和高聚物中應(yīng)用較廣,難點是確定物質(zhì)的熱解機制;d 模型適用于多組分物質(zhì)熱解,認為每種組分單獨發(fā)生反應(yīng),再對每組分進行質(zhì)量加權(quán)疊加. 這些模型在描述單物質(zhì)方面均有很好的結(jié)果,然而醫(yī)療廢物包括多種不同組分,每種組分的熱解行為均非常復(fù)雜,會同時發(fā)生若干平行反應(yīng)和鏈?zhǔn)椒磻?yīng),呈現(xiàn)一步或多步熱解;并且由于其醫(yī)療用品的特殊性,絕大部分組分除含有各種常規(guī)的增塑劑、穩(wěn)定劑外,要經(jīng)過特殊工藝改性處理,有些如醫(yī)療膠布和敷料中還含有藥物成分,更令其物理組成和化學(xué)組成難以確定,因此,找到一種適用于所有樣品并且物理意義明確的整體熱解模式成為一個難題. 除簡單的一步整體模型外,目前尚未發(fā)現(xiàn)一種動力學(xué)模型同時適合若干種物質(zhì)的報道;能用最少的參數(shù)模擬熱失重過程固然是建模的追求目標(biāo),但模型過于簡單,則不能正確描述復(fù)雜的熱解反應(yīng).

 

    為較全面、系統(tǒng)地研究醫(yī)療廢物的熱解失重規(guī)律及動力學(xué)反應(yīng)機制,使研究結(jié)果更具有普遍性和代表性,本文選取基本涵蓋醫(yī)療廢物有機成分的14種典型組分進行熱天平實驗;并在此基礎(chǔ)上提出動力學(xué)模型,以期為醫(yī)療廢物的熱解處理工藝提供實驗和理論依據(jù).

 

    1 　試驗( Experiments)

 

    111 　實驗樣品

 

    14 種醫(yī)療廢物組分材料來源為天津市醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院. 根據(jù)原料的成分,大致分為6 類:塑料類(輸液管、尿樣盒、一次性醫(yī)用手套) 、橡膠類(手術(shù)手套、導(dǎo)尿管) 、生物質(zhì)類(棉簽棍、衛(wèi)生紙、紗布、脫脂棉) 、蛋白質(zhì)類(羊腸縫合線) 、纖維類(敷料內(nèi)芯) 、混合類(醫(yī)用膠布、敷料) 和藥品類(精致銀翹解毒片) .表1 給出了各樣品的主要成分和部分樣品的元素分析(混合類廢物為非均質(zhì)性物質(zhì),藥品類廢物實質(zhì)是生物質(zhì)混合物,均未做元素分析) . 除生物質(zhì)類、藥品類和蛋白質(zhì)類為天然高分子物質(zhì)外,其余類別均為合成高分子聚合物. 因此,作者認為可以將醫(yī)療廢物的熱解視為多種高聚物的熱解.

 

    112 　實驗設(shè)備和實驗方法

 

    實驗設(shè)備為SHIMADZU 的DTG260H 差熱熱重分析儀. 試樣在流量為20 mL·min - 1 的高純N2 氣氛下進行實驗; 坩堝為高溫Al2O3 坩堝, 參比物為Al2O3 粉末; 對所有試樣, 采用的升溫速率β 為20 ℃·min - 1 ,每個實驗做2 次以上,保證可再現(xiàn)性;試樣的質(zhì)量、尺度、性狀對實驗結(jié)果均會有一定影響,由于原料比重差別很大,所以加入坩堝的質(zhì)量分別為2～9 mg 不等,具體數(shù)據(jù)見表2 ;所有試樣破碎到粒度為015 mm 左右,以保證反應(yīng)過程中試樣的溫

 

    度均勻;這個數(shù)量級的尺寸使得傳熱和傳質(zhì)等物理效應(yīng)可以忽略不計,從而造就一個近似為純粹化學(xué)動力學(xué)控制的實驗環(huán)境(Antal et al . ,1980) .

 

    2 　實驗結(jié)果( Results)

 

　　14 種醫(yī)療廢物樣品在升溫速率為20 ℃·min - 1時的TG和DTG曲線,這14 條曲線基本重合在一起. 為了便于觀察和比較其變化規(guī)律,將圖中的曲線進行了平移分離. 如圖所示,由于原料物化性質(zhì)不同,熱解始溫和終溫不盡相同. 在150 ℃之前,生物質(zhì)、蛋白質(zhì)纖維類和藥物類等廢物由于失水而引起輕微失重;在160～290 ℃之間,熱解產(chǎn)物揮發(fā)份開始析出,所有試樣先后開始顯著失重,標(biāo)志熱解過程開始;當(dāng)升高到600 ℃時,大部分試樣均已經(jīng)緩慢失重,或已近乎停止失重;只有導(dǎo)尿管在680 ℃～780 ℃之間還有一劇烈失重階段,在800 ℃時,熱解基

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