醫療廢物處理技術
更新時間：2015-07-31 08:49
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醫療廢物攜帶各種病菌,如果處理不當,易造成疾病的傳播,危害人類健康. 因此,有效的醫療廢物處理處置技術倍受各國政府關注,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展前景的熱過程處理技術,它不僅可以用做獨立的固體廢物處理方式,將原料轉換為更利于應用的高能質物質,如可燃氣、燃料油、固態焦炭等,而且是燃燒和氣化處理的先決步驟(Zhang et al . ,2003) .
國家環保總局最近啟動的《全國醫療廢物處置設施建設規劃》和《全國危險廢物處置設施建設規劃》(環辦[2003 ]41 號) 中已明確將熱解爐工藝納入醫療廢物處置工藝中. 采用熱解技術處理醫療廢物,首先需要詳細了解廢物的熱解特性、熱解機制、行為和規律,并建立適合的模型以確定熱解過程的動力學參數.熱重分析是研究固體熱分解反應機制的一項非常有用的技術,已被廣泛應用于研究生物質(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)的熱解失重動力學和反應機制. 然而,國外鮮有將其應用于研究醫療廢物熱解特性的報道,國內僅有冉景煜(2003) 和李劍(2004) 分別對5 種和8 種醫療廢物組分作了干燥特性和熱解特性的研究,但存在醫療廢物種類不全和缺乏對熱解行為的成因闡述等問題.
在動力學模型方面,前人對生物質、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,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模型是簡單的基礎模型,被廣泛使用,針對發生一步熱失重的物料,只計算對應的一種表觀反應;b 模型針對發生多步熱失重的物料,獨立計算每步失重所對應的反應,但實際上每步的反應無法完全獨立,總會出現交叉;c 模型認為熱解存在若干平行或鏈式反應,并對其進行關聯計算,在生物質和高聚物中應用較廣,難點是確定物質的熱解機制;d 模型適用于多組分物質熱解,認為每種組分單獨發生反應,再對每組分進行質量加權疊加. 這些模型在描述單物質方面均有很好的結果,然而醫療廢物包括多種不同組分,每種組分的熱解行為均非常復雜,會同時發生若干平行反應和鏈式反應,呈現一步或多步熱解;并且由于其醫療用品的特殊性,絕大部分組分除含有各種常規的增塑劑、穩定劑外,要經過特殊工藝改性處理,有些如醫療膠布和敷料中還含有藥物成分,更令其物理組成和化學組成難以確定,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,目前尚未發現一種動力學模型同時適合若干種物質的報道;能用最少的參數模擬熱失重過程固然是建模的追求目標,但模型過于簡單,則不能正確描述復雜的熱解反應.
為較全面、系統地研究醫療廢物的熱解失重規律及動力學反應機制,使研究結果更具有普遍性和代表性,本文選取基本涵蓋醫療廢物有機成分的14種典型組分進行熱天平實驗;并在此基礎上提出動力學模型,以期為醫療廢物的熱解處理工藝提供實驗和理論依據.
1 試驗( Experiments)
111 實驗樣品
14 種醫療廢物組分材料來源為天津市醫科大學總醫院. 根據原料的成分,大致分為6 類:塑料類(輸液管、尿樣盒、一次性醫用手套) 、橡膠類(手術手套、導尿管) 、生物質類(棉簽棍、衛生紙、紗布、脫脂棉) 、蛋白質類(羊腸縫合線) 、纖維類(敷料內芯) 、混合類(醫用膠布、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性物質,藥品類廢物實質是生物質混合物,均未做元素分析) . 除生物質類、藥品類和蛋白質類為天然高分子物質外,其余類別均為合成高分子聚合物. 因此,作者認為可以將醫療廢物的熱解視為多種高聚物的熱解.
112 實驗設備和實驗方法
實驗設備為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,保證可再現性;試樣的質量、尺度、性狀對實驗結果均會有一定影響,由于原料比重差別很大,所以加入坩堝的質量分別為2～9 mg 不等,具體數據見表2 ;所有試樣破碎到粒度為015 mm 左右,以保證反應過程中試樣的溫
度均勻;這個數量級的尺寸使得傳熱和傳質等物理效應可以忽略不計,從而造就一個近似為純粹化學動力學控制的實驗環境(Antal et al . ,1980) .
2 實驗結果( Results)
14 種醫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,由于原料物化性質不同,熱解始溫和終溫不盡相同. 在150 ℃之前,生物質、蛋白質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,熱解產物揮發份開始析出,所有試樣先后開始顯著失重,標志熱解過程開始;當升高到600 ℃時,大部分試樣均已經緩慢失重,或已近乎停止失重;只有導尿管在680 ℃～780 ℃之間還有一劇烈失重階段,在800 ℃時,熱解基
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