编辑推荐：
本研究系统评估了Intermediate Fuel Oil (IFO) 污泥的物理化学特性、元素组成及表面形貌，通过热解行为动力学与热力学分析，揭示了其高有机碳含量及重金属的潜在环境风险，同时证实其作为热解原料的高效能源回收潜力。
阿希克·艾哈迈德（Ashique Ahmed）| 萨拉夫·坎德帕尔（Saurav Kandpal）| 阿希什·N·萨瓦卡尔（Ashish N. Sawarkar）| 萨钦·拉梅什拉奥·吉德（Sachin Rameshrao Geed）
印度乔拉特（Jorhat）的CSIR-东北科学技术研究所（CSIR-North East Institute of Science and Technology），邮编785006
摘要
本研究探讨了中间燃料油（Intermediate Fuel Oil，IFO）污泥的物理化学性质、元素组成和表面形态。此外，还对其热降解行为进行了研究，并通过热解过程对其环境影响和能源回收潜力进行了动力学和热力学分析。IFO污泥中存在长链烃类、多环芳烃和重金属，这表明在不当处理的情况下会对环境造成持久影响并带来潜在的生态风险。采用ICP-MS进行的元素分析显示，金属含量非常高，其中锌（Zn）最为丰富（256.613 ppb），其次是铜（Cu，49.157 ppb）、锰（Mn，48.274 ppb）和镍（Ni，18.027 ppb）。同时，该污泥含有大量的烃类（280350 mg/L），并且有机碳含量高达60.47%，热值为30.66 MJ/kg，这突显了其作为热解原料的潜力。初步分析显示其挥发性物质含量较高（73.22%），固定碳含量也较高（20.03%）。污泥的热重分析（TGA）表明其热分解过程分为四个阶段：表面水分蒸发、挥发性有机物去除、碳水化合物和粘土的部分分解，最后是矿物质分解。使用KAS、FWO、Starink和Vyazovkin方法估算的平均活化能（Eα）分别为42.7、46.5、43.0和43.2 kJ/mol。热解过程中的加热速率对整体反应机制有轻微影响，在较高转化率下，反应机制从反应级控制（R1-R3）转变为扩散控制（F3）。总体而言，本研究揭示了IFO污泥作为热解原料的巨大潜力。
引言
石油仍然是全球主要的能源来源和关键工业原料，截至2023年，石油产量已接近45亿吨[1]，尽管可再生能源在能源结构中的占比正在不断增加。原油精炼过程中会产生大量含油污泥，这种污泥粘稠且富含石油烃类和重金属[2]。在中间燃料油（IFO）的精炼、储存和处理过程中也会产生含油污泥。印度拥有亚洲第二大的石油精炼能力，每年产生约50万吨含油污泥[3]。由于污泥体积庞大且含有有毒成分，有效处理这种污泥是一个重大挑战。
过去几十年中，已经开发出多种处理含油污泥的方法，但对IFO精炼过程中产生的污泥关注较少。这些处理方法可分为热化学过程（如燃烧、气化和热解）、物理化学过程（如絮凝、氧化和机械脱水）以及生物处理方法（如生物修复）[4][5]。与其他热化学过程相比，热解能在相对较低的操作温度下将碳质材料转化为热解气、热解油和生物炭。生物修复是一种利用微生物分解烃类的有前景的方法，由于成本效益高且环保，近年来得到了广泛应用[6][7]。这些方法不仅有助于有效管理废弃物，还能实现资源回收，支持全球向可持续废弃物管理实践的转变[6][7]。
含油污泥的成分非常复杂，是一种黑色粘稠的液体，含有大量水分以及不同比例的碳质成分（如固定碳和挥发性物质），具体取决于其来源和加工过程。原油的来源和精炼方法会显著影响污泥的化学组成。储存条件也会影响其整体成分。树脂、沥青质和微生物成分的存在往往会导致形成稳定的油水乳液，这些乳液难以脱水分离[8]。这种成分的异质性是复杂高有机负荷废弃物的典型特征，对它们的热降解行为、污染物排放、动力学参数和资源回收潜力有重要影响[9][10][11]。含油污泥中的总石油烃（TPH）含量通常在15%到50%（重量百分比）之间，而水分和固体含量分别约为30-85%和5-46%[12]。因此，在任何潜在的再利用或妥善处理之前，都需要进行初步预处理。1999年法国海岸埃里卡（Erika）石油泄漏事件中，大量重燃料油被释放到海洋环境中，造成了严重且持久的生态破坏[13]。虽然此类泄漏事件本身不直接产生IFO污泥，但它们凸显了燃料油相关的更广泛环境风险，进一步强调了有效处理和资源化策略的必要性，包括精炼、储存和处理过程中产生的IFO污泥[14][15]。尽管已有大量关于原油或重燃料油精炼过程中产生的含油污泥的表征、处理和回收的研究，但目前尚未有关于IFO精炼、储存和处理过程中产生的含油污泥的表征和资源回收潜力的研究。IFO是一种较轻的重燃料油混合物，主要用于船舶发动机和发电。由于混合方法、工作条件和燃料标准的不同，由此产生的污泥在化学组成、燃料特性和热特性方面具有独特性。本研究旨在探讨来自印度东北部一家炼油厂的IFO污泥的物理性质（pH值、电导率、电阻率、总溶解固体）、化学组成（初步组成、元素组成和重金属）、表面形态以及燃料相关特性（油水比例、高热值和总石油烃含量）。此外，还对其热降解行为进行了研究，并通过热解过程对其能源回收潜力进行了动力学和热力学分析。
为了证明本研究的必要性，进行了研究趋势分析，结果表明全球范围内对IFO污泥的关注度有限。使用Scopus搜索引擎，以“含油（oily）”、“污泥（sludge）”和“表征（characterization）”为关键词，检索了2005年至2025年间发表在环境科学、化学工程、化学、能源和工程等领域的英文期刊文章，共找到76篇相关论文，这表明人们越来越关注将含油污泥从环境负担转化为宝贵资源。利用VOSviewer工具生成了关键词共现图，如图1所示。图中节点的大小代表关键词出现的频率，连接线的粗细表示共现强度。图上位置相近的关键词具有更强的概念关联。
分析发现几个显著趋势：“热解（pyrolysis）”是最突出的关键词，与“碳（carbon）”、“炭（char）”、“活化能（activation energy）”和“热重分析（thermogravimetric analysis）”等术语有紧密联系，表明热解被广泛用于将含油污泥转化为高附加值产品。“含油污泥（oily sludge）”与“原油（crude oil）”、“表征方法（characterization methods）”、“碳材料（carbon materials）”和“能源回收（energy recovery）”等术语有较强关联，表明其作为可持续能源解决方案原料的潜力。含油污泥与“可持续性（sustainability）”的关联反映了废弃物管理领域对能源回收策略的日益关注。共现图还显示了包括“质谱（mass spectrometry）”、“气相色谱（gas chromatography”和“质谱碎片分析（mass fragmentography）”在内的分析技术集群。这些技术对于污泥处理后的化学表征和成分变化评估至关重要。此外，“土壤污染（soil pollution）”、“地下水污染（groundwater pollution）”和“受污染土壤（contaminated soils）”等关键词表明了人们对污泥处理的持续关注，强调了风险评估与资源回收的重要性。其他集群涉及有害成分的研究，如含油污泥中大量存在的“铁化合物（iron compounds）”、“钴化合物（cobalt compounds”和“镉（cadmium）”，这些物质在热处理或化学处理过程中需要密切监测。 “油（oil）”、“温度（temperature）”和“提高油回收率（enhanced oil recovery）”等关键词表明了优化处理条件和提高能源回收率的研究工作。
样本采集
样品采集
IFO污泥取自印度东北部一家炼油厂日常运营过程中产生的废弃物储存池。为避免污染，使用不锈钢勺子采集样品，并将其储存在密封塑料容器中。采集和处理过程遵循标准的环境采样程序，以确保表征结果的一致性和防止微生物污染。
物理化学性质和化学组成
污泥呈黑色且粘稠，质地与原油相似。IFO污泥的pH值为6.75，油含量为29.70%，水分含量为19.88%，总溶解固体（TDS）为61.57 ppm，电导率为156.65 μS/cm，电阻率为6386.7 Ω·cm。这些参数表明IFO污泥水相中的离子强度较低，说明溶解的无机盐含量较少。
IFO污泥表征对能源回收和环境管理的影响
本研究对IFO污泥的定性和热表征结果显示，在可持续石油废弃物资源化背景下，IFO污泥在能源回收和环境管理方面具有诸多优势，如图9所示。IFO污泥含有大量有机物和少量无机盐，因此处理时应重点关注有机负荷的减少和烃类的回收。
结论
本研究系统评估了IFO污泥的物理性质、化学组成、表面形态和燃料相关特性。同时讨论了其热降解行为、热解过程的动力学参数和反应机制。IFO污泥矿物含量较低，但有机物质含量较高，具有回收烃类的潜力。
CRediT作者贡献声明
阿希什·N·萨瓦卡尔（Ashish N. Sawarkar）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化。萨钦·拉梅什拉奥·吉德（Sachin Rameshrao Geed）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、监督、资源管理、项目协调、概念构思。萨拉夫·坎德帕尔（Saurav Kandpal）：初稿撰写、数据可视化、方法验证、数据管理。阿希克·艾哈迈德（Ashique Ahmed）：初稿撰写、数据可视化、方法设计、实验研究、数据分析。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者衷心感谢CSIR-东北科学技术研究所（CSIR-NEIST）的领导提供的宝贵支持。我们感谢出版和知识产权委员会（CSIR-NEIST/PUB/2025/089）分配的手稿编号。同时感谢CSIR-NEIST通过内部项目（OLP 2503A）和CSIR任务模式项目（MMP025302）提供的支持。特别感谢CSIR-NEIST的仪器设施部门的支持。
