《Journal of Environmental Management》：Co-pyrolysis of tea waste and metallised plastic waste: Product characterization, kinetic analysis, and activated carbon applications
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茶渣与金属废塑料共热解高效制备生物油与高吸附活性炭，优化配比（50:50）生物油酸类物质最多且热值提升，金属组分促使生物炭碳含量达70.91%，其活性炭比表面积714 m2/g对靛蓝绿染料吸附效率达90.8%。采用Ozawa-Flynn-Wall、Kissinger-Akahira-Sunose和TANG模型分析动力学，发现混合物活化能显著低于单一组分（276.9 vs 119.3-163.7 kJ/mol）。研究为塑料-生物质共处理提供新策略。
作者：Shashir S. Kenganal, Amit Tiwari, Abanti Sahoo, Mahendra Chinthala
印度奥里萨邦鲁尔凯拉国立技术学院化学工程系过程强化实验室，邮编769 008
摘要
将固体废物可持续地转化为有价值的生物燃料和先进材料为资源回收和循环经济提供了有前景的途径。本文研究了在550°C下茶叶废弃物（TW）与金属废弃物塑料（MWP）的共热解过程，共热解比例分别为75:25、50:50和25:75。通过三种不同的等转化动力学模型（Ozawa-Flynn-Wall (FWO)、Kissinger-Akahira-Sunose (KAS) 和 TANG）分析了金属废弃物塑料、茶叶废弃物及其混合物的热分解过程。结果表明，茶叶废弃物热解产生的生物油和生物炭产量最高（分别为29.58 wt%和31.50 wt%），而金属废弃物塑料热解产生的不可凝气体（NCG）产量最高（70.13 wt%）。由金属废弃物塑料制成的生物炭具有较高的热值（30.15 MJ/kg）和碳含量（70.91 wt%）。来自茶叶废弃物的生物油富含酚类化合物，而来自金属废弃物塑料的生物油则含有较高热值和较低氧含量的烷烃。来自茶叶废弃物与金属废弃物塑料（50:50）混合物共热解的生物油含有较多的酸和醇类，且燃料性能更优。随着金属废弃物塑料比例的增加，由于铝等无机物质的存在，生物炭中的碳和灰分含量也有所增加。将来自茶叶废弃物与金属废弃物塑料（50:50）混合物共热解得到的生物炭经过活化处理后，被用作孔雀石绿染料的有效吸附剂，在废水处理中实现了182.89 mg/g的最高吸附容量和90.80%的去除率。AC/TW50:MWP50的高去除率和吸附能力得益于其高达714 m2/g的比表面积。总体而言，本研究证明了茶叶废弃物与金属废弃物塑料的共热解是一种高效的双重用途策略，可用于处理复杂固体废物，生产升级的生物燃料，并合成高性能吸附剂以用于环境修复。
引言
固体废物管理是一个重大问题，尤其是在发展中国家，这些国家通常依赖填埋场处理固体废物，从而导致污染和其他环境问题（Engamba Esso等人，2022b）。研究人员一直在致力于开发将固体废物转化为燃料和化学品的方法，以用于废物管理、环境保护和能源生产等多种用途（Wang等人，2021）。
近年来，固体废物的数量不断增加，全球每年产生的固体废物量估计为15-17亿吨（Chen等人，2023）。塑料在全球范围内被大量生产和消耗，主要由碳和氢组成，氧含量很低（Engamba Esso等人，2022a）。然而，由于塑料具有抗降解性且产量持续增长，导致塑料废物大量积累，加剧了环境问题（Armenise等人，2021）。
热解是一种热化学转化过程，可将大多数固体废物转化为新的形式或产品（Mishra等人，2023）。热解因其产品生成的多样性和处理多种原料的能力而受到广泛关注（Haghighat等人，2020）。固体废物热解后可产生生物炭、生物油和不可凝气体（NCGs），这些产物都具有能量价值，可有多种用途。共热解是指同时热解多种不同原料的过程。这些原料通常包括生物质和碳质材料，如煤炭、橡胶和塑料。共热解通过协同处理各种类型的废物（包括难以回收的塑料和有机材料）来减少填埋场的使用和环境污染。许多关于固体废物管理的共热解研究已经发表。
Johansson等人（2018）研究了木质纤维素生物质与塑料废物的共热解，发现加入塑料废物可以减少活性氧化合物（如酮类、醛类和酸类）的生成，同时增加稳定醇类和酯类的产量，并提高烃类的产出，表明生物质和塑料燃料之间存在协同作用。Xue和Bai（2018）研究了经过酸处理的玉米秸秆（CS）与聚乙烯（PE）的共热解，发现酸处理显著降低了CS中的碱金属和碱土金属含量，从而降低了热解效率，但提高了共热解过程中CS和PE之间的协同作用，使得芳香烃和烯烃的产量增加。Fan等人（2019）发现，当稻草和桉木与聚乙烯共热解时，两种原料的分解速度加快，表明存在协同效应。虽然聚乙烯增加了挥发性产物的碳含量并降低了氧含量，但共热解促进了生物质的分解。
Wang等人（2022）研究了富含氢的聚丙烯（PP）与多种生物质原料（如杨木、稻壳和甘蔗渣）的共热解，发现高温下共热解具有正协同效应，提高了挥发性产物的产量并减少了炭的形成；然而，低温下PP的熔化作用会抑制协同效应，导致生物质表面形成一层厚厚的物质，影响炭的结构。动力学研究表明，与聚乙烯共热解可使活化能降低11.14-31.78%，并揭示了单一原料和混合物的多步降解机制。Mishra等人（2023）研究了通过共热解将生物质和塑料废物转化为富含氢的气体的新技术。Chen等人（2024）研究了竹生物质与聚乙烯的共热解，发现加入聚乙烯后炭的产量从24.80%增加到26.59%，但比表面积从103.64 m2/g降低到1.84 m2/g。炭表面发生了脱氧反应，PE中的挥发物在炭表面沉积了无定形碳。研究表明，挥发性物质与炭的相互作用改变了炭的结构和反应性，为优化塑料废物和生物质共热解技术以制造高价值碳化合物提供了依据。
目前，大多数研究集中在木质纤维素生物质与聚乙烯和聚丙烯等塑料的共热解上。然而，关于金属塑料或多层复合聚合物的热解研究尚未见报道，而这些材料常用于食品包装。金属塑料由于其复合性质（包含金属和聚合物成分）而难以处理。金属成分对共热解速率、产物分布和热降解途径的影响尚未得到充分研究。此外，如此广泛的原料混合物中发生的各种反应可能过于复杂，现有的动力学模型难以准确描述。
本研究首次探讨了茶叶废弃物与金属化塑料废物的共热解过程，旨在阐明共热解过程中的协同效应和反应机制。研究结果为优化共热解条件提供了重要信息，以实现有效的废物管理和能源回收，特别是在茶叶和包装零食消费量较大的地区。
原料
金属废弃物塑料（MWP）包括带有闪亮铝涂层的食品包装，从鲁尔凯拉国立技术学院校园内的商店收集，并经过清洁以去除灰尘和食物残渣。茶叶废弃物（TW）则从学院内的茶叶商店收集。样品用水清洗后，经过空气干燥和105°C下的烤箱干燥24小时，然后存放在干燥器中。表1展示了MWP和TW的物理化学特性。
热重分析（TGA）
茶叶废弃物、金属废弃物塑料及其混合物（TW50:MWP50）的热重分析（TGA）结果如图1(a)和(b)所示。所有样品的热分解过程分为四个阶段：阶段1（脱水）、阶段2（活性热解）、阶段3（被动热解）和阶段4（碳化）。
结论
通过茶叶废弃物与金属废弃物塑料的共热解，实现了一种将废物转化为有价值产品的高效热化学过程。本文使用了三种不同的等转化积分模型（FWO、KAS和TANG）来评估材料的活化能（Eα）。茶叶废弃物（TW）、金属废弃物塑料（MWP）及其混合物（TW50:MWP50）的平均活化能分别为119.30 kJ/mol、163.70 kJ/mol和276.90 kJ/mol。从茶叶废弃物中获得的生物油和生物炭产量最高。
作者贡献声明
Shashir S. Kenganal： 负责撰写初稿、方法论设计、实验研究、数据分析及概念框架构建。
Amit Tiwari： 负责撰写初稿、方法论设计、实验研究、数据分析及数据整理。
Abanti Sahoo： 负责审稿与编辑、结果可视化、验证、项目监督及资源协调。
Mahendra Chinthala： 负责审稿与编辑、结果可视化、验证、项目监督及资源协调。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
感谢印度理工学院马德拉斯分校的SAIF部门对所得生物油进行了气相色谱-质谱（GC-MS）分析。
