在多组分医疗废物热解过程中，挥发性物质相互作用对热解气体和芳香烃生成的协同效应

《Process Safety and Environmental Protection》：Synergistic effects of volatile interactions on the pyrolysis gas and aromatic hydrocarbons formation during multi-component medical waste pyrolysis

本研究探究医疗废物共热解中挥发性物质相互作用对产物分布的影响，发现IT-NG协同显著提升气体热值及BTX选择性，揭示了Diels-Alder环化及氢转移机制的关键作用。

　　

廖超|李爱军|黄永达|穆罕默德·乌斯曼|郑宇航|邓倩|雷一成|姚红

华中科技大学能源与动力工程学院，中国武汉430074

摘要

热解是一种有前景的医疗废物（MW）处理方法，它可以将医疗废物转化为有价值的燃料和化学品，同时实现杀菌和减量。然而，产物分布受到多组分共热解过程中挥发性相互作用的影响。本研究探讨了这些相互作用对输液管（IT）、丁腈手套（NG）和医用纱布（MG）共热解产生的气体和焦油组分的影响。结果表明，共热解增加了气体产量，同时减少了焦油产量，表明二次裂解作用增强。IT-NG组表现出强烈的协同效应，产生了高浓度的C₂-C₄烃类，并具有较高的气体热值（39.33 MJ/Nm³）。此外，挥发性相互作用促进了焦油组分中芳香族化合物的形成。IT-NG组获得了最高的BTX（苯、甲苯、二甲苯）产量，选择性达到26.4%。相比之下，含有MG的组产生的BTX较少，但含有更多的富氧芳香族化合物。研究确定了两种主要反应途径：塑料/橡胶衍生的二烯与生物质衍生的呋喃之间的Diels-Alder环加成反应是芳香化的主要途径；另一方面，来自塑料衍生的自由基（·H和·CH₃）的氢转移作用抑制了氧化物种并促进了脱氧过程。这些发现为医疗废物的定向增值提供了基础。

引言

全球医疗服务的迅速扩展、医疗技术的进步以及人口老龄化加剧导致了医疗废物（MW）产量的急剧增加。这一挑战在最近的疫情期间进一步加剧。疫情期间个人防护装备（如口罩和一次性手套）的广泛使用导致城市固体废物显著增加，其中大部分为塑料和纤维材料（Kleme?等人，2020年）。2021年，全球医疗废物产量超过了290万吨（Liang等人，2021年）。医疗废物包含多种材料，包括输液管（IT）、注射器、棉签、丁腈手套（NG）和玻璃瓶。由于70%的医疗废物是有机且可燃的，因此具有巨大的资源回收潜力（Ding等人，2021年）。这一背景与城市固体废物面临的更广泛挑战相一致，人们越来越多地提出综合热化学方法来促进能源和材料的回收（Fu等人，2025a, 2025b；Wang等人，2025年）。焚烧是一种广泛采用的处理方法，具有显著的能源回收和减量潜力。然而，燃烧过程中产生的飞灰难以处理（Ullah等人，2022年）。此外，生物处理方法（如堆肥和厌氧消化）在处理复杂、异质和潜在传染性废物时存在固有限制（Abbas和Flayeh，2024年）。同时，厌氧消化在应用于某些废物类型时还受到底物兼容性和过程稳定性的限制（Wang等人，2025年）。医疗废物的高水分含量会导致燃烧不完全，降低燃烧效率。焚烧还会产生大量温室气体，高温燃烧还会产生多氯二苯并-p-二氧英和多氯二苯并呋喃等有毒化合物，对生态环境构成重大风险（Zhang等人，2024年）。这些挑战凸显了迫切需要同时实现资源回收和环境安全的医疗废物处理技术。

热解作为一种创新的处理方法，因其资源回收、高水平的过程控制和减少二次污染物生成的优势而受到关注。在缺氧条件下通过热化学转化，复杂的废物成分分解为高热值气体（H₂、CO和CH₄）、焦油和富碳固体产物，从而在环境和经济上都具有优势（Cui等人，2023年；Suriapparao和Tejasvi，2022年；Zhang等人，2024年；Zheng等人，2025年）。最近关于含塑料废物的研究进一步强调了理解原料特异性相互作用对于有效控制产物的必要性。已经确定了手术口罩带热解的两阶段分解过程，首先是弹性纤维的降解，然后是尼龙的分解（Chen等人，2021年）。该过程通过脱氨基、脱羧、环化和缩合反应生成NH₃、CO₂、烷烃、烯烃、醛和酮。对于主要由聚丙烯组成的注射器部件，复杂的自由基反应、β-断裂和分子内氢转移产生了C₄-C₂₄烯烃和二烯（Ding等人，2021年）。由于各组分的独特分解特性和多样的反应途径，医疗废物热解产物表现出显著的非线性变化。Arumugam和Ganesan优化了Bauhinia purpurea种子和废弃医疗塑料的催化共热解，获得了富含碳氢化合物（C₉-C₁₇）的生物油，并通过减少酸度和增加芳香族含量改善了燃料质量（Arumugam和Ganesan，2024年）。Hassan等人报告称，当医疗瓶和棕榈壳以1:3的比例混合时，协同效应最强。在这种混合物中，氢转移反应和自由基相互作用加速了脱氧过程，从而增加了烃类的产量（Hassan等人，2024年）。

在医疗废物热解中，理解热解反应途径对于实现高效和清洁的转化至关重要。然而，现有研究主要集中在初级热解上，而对不可避免的二次反应的研究仍然有限。这些二次反应，特别是挥发性物质之间的相互作用，可以引发额外的反应途径，如Diels-Alder环加成、氢转移和自由基偶联，这些反应对热解产物的分布和质量有重要影响。Esso等人证明，在生物质-塑料共热解过程中，芳香族烃类的形成受到协同作用的促进。在这种机制中，聚烯烃（PE/PP）释放的氢自由基稳定了生物质衍生的氧化物种（Esso等人，2022年）。Liu等人报告称，塑料衍生的烷基自由基（如·CH₃）与氧化的生物质挥发物（如呋喃）发生反应，这些反应引发了一系列氢去除和脱氢过程，最终增加了氢的产生（Liu等人，2021年）。Ding等人表明，在热分解过程中产生的含氧蒸汽与聚烯烃裂解过程中产生的烷基自由基之间的相互作用促进了脂肪族烃类和醇类的形成，同时抑制了醚和呋喃的生成（Ding等人，2021年）。尽管之前的研究已经探讨了医疗废物共热解中的总体协同效应，但挥发性相互作用对这些效应的具体影响仍不清楚。进一步阐明挥发性组分之间的相互作用机制对于深入理解和优化医疗废物热解产物的形成过程至关重要。

鉴于上述挑战，本研究旨在探讨挥发性物质对医疗废物共热解过程中产物分布的影响。选择了医疗废物的三种主要成分：输液管（IT）、医用纱布（MG）和丁腈手套（NG），以研究挥发性物质对产物分布的综合影响。特别关注了高热值气体（如C₂-C₄烃类）以及芳香族焦油和BTX化合物的生成。研究了不同材料的单独热解行为以及它们组合时的变化。此外，还研究了参与产物形成的关键反应，包括芳香化和脱氧过程。这些发现增进了对医疗废物热解行为的理解，并为改进和控制最终产品的质量提供了有价值的指导。

原材料

医疗废物来源多样，成分变化很大，会随时间和地区而变化。本研究主要选择了三种常见的医疗废物作为实验材料：输液管（IT）、丁腈手套（NG）和医用纱布（MG）。根据其材料特性，样品被分类为塑料、橡胶和生物质。实验前，样品经过切割机粉碎和筛分以获得均匀的

典型医疗废物的热解特性

根据表2中的工业和元素分析数据，输液管（IT）（94.39 wt%）、医用纱布（MG）（97.49 wt%）和丁腈手套（NG）（91.91 wt%）都具有较高的挥发性物质含量，表明在热解过程中会有大量的挥发性物质释放。值得注意的是，氯主要集中于输液管成分中，而在纱布和手套中的含量可以忽略不计。对于输液管的热解，FTIR吸收带证实了HCl的释放，其产量约占

讨论

尽管已经对单个医疗废物组分的熱解行为进行了广泛研究，但在多组分共热解过程中发生的复杂挥发性相互作用仍知之甚少，特别是在涉及塑料、橡胶和生物质这三类材料的系统中。现有研究大多集中在二元混合物或单组分热解上，常常忽略了二次反应和决定产物分布的机制途径。

结论

热解为医疗废物的安全处理和资源回收提供了一种实用的方法，特别是在生产有价值的产品方面。热解过程中的相互作用显著影响了热解产物的组成和产量。本研究系统地阐明了不同医疗废物组分共热解过程中的协同反应和产物分布。主要发现总结如下。

CRediT作者贡献声明

廖超：撰写 - 原稿撰写、验证、软件使用、方法论设计、数据管理、概念构思。李爱军：撰写 - 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金筹集。黄永达：撰写 - 审稿与编辑、软件使用、资源协调、实验研究。穆罕默德·乌斯曼：实验研究、数据管理。郑宇航：实验研究、数据管理。邓倩：实验研究、数据管理。雷一成：审稿与编辑、软件使用、资源协调、实验研究。姚红：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（52076092、52220105006）、湖北省自然科学基金（2024AFB049）、武汉市自然科学基金（2024040701010042）以及中国政府指导地方科学技术发展专项基金（2024CSA088）的支持。作者还感谢华中科技大学分析与测试中心的实验协助