近年來,圍繞地球環境的社會問題日趨嚴重化,如何盡可能地減少因人為因素造成對環境的污染、破壞及資源浪費,已成為全人類十分關注和急需解決的課題。
就使用量極大的塑料薄膜而言,由于其種類繁多,分別回收的難度和經濟成本等問題,難以真正實現廢棄薄膜的回收再生利用。所以目前多數國家仍只能采取將其與一般垃圾一樣,運出后進行焚燒減容處理、或深埋處理。然而,在這一處理過程中,由于會排出大量的二噁英類或重金屬等有害物質導致環境污染,尤其是產生的二噁英類污染物質,因其具有極大的毒性,迫使人們不得不緊急采取了一些相應的對策。
在垃圾焚燒過程中,最易生成二噁英類物質的階段是燃燒的初期。因為在這一階段,或是從鏈狀碳化氫中生成氯苯(Chlirobevzenz)(CB)或氯代苯酚 (Chlirophenol)(CP)等前驅體的途徑,或是在煙道集塵器附近溫度較低的區域( 250-500℃)碳、氯等元素重新合成為CB、CP類物質。無論是經過哪一種路徑,都是由于垃圾在焚燒爐內的不完全燃燒而產生未經燃燒的聚合狀碳結構物質(如苯環)的緣故。因此如何使垃圾充分快速地完全燃燒,成了解決問題的關鍵。日本大倉工業株式會社為解決無害化處理廢棄塑料垃圾這一難題,研究開發了一咱新型塑料薄膜。它是通過在薄膜中加入活性氧化鐵的方法,利用活性氧化鐵優良的燃燒催化作用,極大地提高了廢棄塑料垃圾的燃燒速度,有效地抑制了二噁英類有害物質的產生。因而被譽為清潔焚燒型塑料薄膜。
生成這種新型薄膜的添加劑氧化鐵,遠在古代就作為一種名叫“鐵丹”的紅色顏料而被廣泛應用于繪制壁畫。其儲藏量極為豐富,其克拉克數(Clark)為4,且對人畜無害。在燃燒反應過程中,由于其具備極強的氧化活性作用,所以作為一種燃燒催化劑其效果相當明顯。氧化鐵的種類很多,如無磁性的紅色赤鐵礦(α—Fe2O3)、黃色針鐵礦(α—FeOOH),具有磁性的黑色磁鐵礦(Fe3O4)和褐色磁赤鐵礦(γ—Fe2O3)等。
為了獲得最理想的燃燒催化效果,研究者做了大量的對比試驗。比如通過燃燒添加有不同形狀、不同顆粒直徑、不同表面積的氧化鐵的薄膜,并應用熱重量測定法(PG法)測定和評價其燃燒速度的差異。如果在空氣中以10℃每分鐘的溫升速度同時燃燒添加了薄膜重量1%的針鐵礦(α—FeOOH)的聚乙烯(PE)薄膜和同樣大小、重量的未添加針鐵礦的PE薄膜。試驗結果表明前者完全燃燒所需的時間僅是后者的1/3。而且試驗還表明薄膜中加入外形呈紡錘狀的表面積最大的針鐵礦(α—FeOOH),其促使快速燃燒的性能最為突出。
那么,為什么活性氧化鐵(針鐵礦α—FeOOH)能具備促使快速燃燒的功能呢?根據日本德島大學工學部通過高溫X射線對其結構的分析和參照甲烷氧化的機理,從在燃燒過程中發現針鐵礦α—FeOOH變化為分子結構不同的赤鐵礦Fe2O3的現象推斷,產生燃燒催化機能的原因正是由于高度氧化狀態的三價氧化鐵與低氧化狀態的二價氧化鐵之間在高溫狀態下不斷反復進行氧化、還原反應的結果。
下面舉兩個應用實例,說明采用這一技術能有效降低二噁英類物質的產生。
日本三菱重工有限公司用兩組成分均為90%的聚乙烯(PE),10%的乙烯樹脂(PVC)的薄膜在輸送帶式焚燒爐中作燃燒試驗,一組薄膜添加了1%的針鐵礦(α—FeOOH),而另一組未添加。焚燒溫度都為700℃,原料供給速度均為3kg/hr。試驗結果表明,添另了針鐵礦的一組在排出的氣體中其co的含量(10ppm)只有未添加針鐵礦(125ppm)的10%,這不但大大提高了燃燒效率,而且由于其燃燒催化的效果,在使從煙道口排出的煙氣中所含的二噁英類物質量由12ng/Nm3(每標準立方米含納克數)銳減至1.8ng/Nm3,降低了90%。
在廣島大學工學部,試驗者將從校園內收集的可燃燒的垃圾分別裝入用普通的聚乙烯薄膜垃圾袋和添加了1%活性針鐵礦的聚乙烯薄膜垃圾袋中,并分別投入爐中焚燒,進行對比試驗。試驗結果證明在整個燃燒溫度范圍內,煙道排出的廢氣中二噁英的含量后者比前者大約低50ng/Nm3。而且CO的濃度也降低了30%,充分證明了活性針鐵礦的助烯功能。
添加的活性針鐵礦在燃燒溫度達到800℃以上時,能與垃圾中所含的可溶于水的鋅、鉛等重金屬氧化物發生反應,生成不溶于水的鐵酸鹽,因此在掩埋處理焚燒后的殘灰殘渣時,可有效防止因重金屬溶出而污染環境。
同時,據稱這種塑料薄膜還具有能吸收紫外線的特性,因此在日本已被廣泛用作包裝材料,需求量劇增。自開發至今4年來,其銷售額已達到1500萬美元。而且,生產這種塑料薄膜,不需新增專門設備,利用原有設備即可生產,因此具有廣泛的推廣價值。