陳經(jīng)浩, 黃建新, 陸勝勇, 李曉東, 嚴(yán)建華

(浙江大學(xué) 能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310027)

?

生活垃圾開(kāi)放式燃燒炭黑的結(jié)構(gòu)及污染物分析

陳經(jīng)浩, 黃建新, 陸勝勇, 李曉東, 嚴(yán)建華

(浙江大學(xué) 能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310027)

通過(guò)配置具有代表性的模擬城市生活垃圾,對(duì)模擬垃圾進(jìn)行開(kāi)放式燃燒并收集所產(chǎn)生的炭黑進(jìn)行分析表征.利用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線(xiàn)光電子能譜儀(XPS)、比表面積及孔隙分析儀對(duì)炭黑進(jìn)行微觀(guān)顆粒形態(tài)的表征.結(jié)果顯示,炭黑由粒徑約為217.8 nm的球形顆粒團(tuán)聚形成,比表面積高達(dá)27.554 m2/g,且表面有豐富的含氧、含氯官能團(tuán)以及催化金屬,具有非常高的反應(yīng)活性.對(duì)炭黑顆粒中的多環(huán)芳烴以及二惡英類(lèi)物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果顯示,多環(huán)芳烴、二惡英的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到8.865×10-5和1.92×10-8.城市生活垃圾開(kāi)放式燃燒所產(chǎn)生的炭黑以及其他氣態(tài)污染物直接排放至大氣中,對(duì)環(huán)境造成的危害須引起高度重視.

開(kāi)放式燃燒；炭黑；微觀(guān)結(jié)構(gòu)；二惡英；多環(huán)芳烴

目前,國(guó)內(nèi)城市生活垃圾的總量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的形勢(shì),依據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[1]可知,2013年全國(guó)生活垃圾清運(yùn)量為 17 238.6萬(wàn)t,其中無(wú)害化處理總量為15 394.0萬(wàn)t,無(wú)害化處置率為89.3%.相比較2012年生活垃圾清運(yùn)量為17 080.9萬(wàn)t,無(wú)害化處置率為84.8%.13年全年仍有1 844.6萬(wàn)t垃圾未能得到妥善處理,考慮到未能歸入統(tǒng)計(jì)的生活垃圾,垃圾總量應(yīng)該更多.生活垃圾無(wú)害化處置的方式主要有衛(wèi)生填埋和無(wú)害化焚燒,分別占垃圾總量的60.9%和26.9%.未能得到合理處置的生活垃圾被隨地填埋、丟棄及開(kāi)放式燃燒處置.

開(kāi)放式燃燒定義為可燃物在大氣環(huán)境中不受約束的、不可控制的燃燒,該過(guò)程中會(huì)生成大量的顆粒物以及燃燒不完全產(chǎn)物(PICs),例如包括二惡英(PCDD/Fs)、多環(huán)芳烴(PAHs)、多氯聯(lián)苯(PCBs)等在內(nèi)的持久性有機(jī)污染物[1-3].生活垃圾的開(kāi)放式燃燒指的是家庭對(duì)日常產(chǎn)生的生活垃圾進(jìn)行焚燒,燃燒條件惡劣且無(wú)任何控制和煙氣凈化設(shè)施.生活垃圾的開(kāi)放式燃燒會(huì)產(chǎn)生非常高的污染物排放,尤其當(dāng)垃圾中含有含氯的材料,如織物、塑料等[4]時(shí),據(jù)統(tǒng)計(jì)每千克的生活垃圾開(kāi)放式焚燒產(chǎn)生的二惡英排放因子約為16～40 ng,焚燒底灰中的二惡英排放因子分?jǐn)?shù)約為10-12[5-6].Wevers等[7]的研究顯示,生活垃圾開(kāi)放式燃燒所釋放的二惡英排放因子為3.5×10-11,焚燒產(chǎn)生的煙氣中二惡英的質(zhì)量濃度為3.6 ng/m3,大大超出垃圾焚燒爐的0.1 ng/m3排放標(biāo)準(zhǔn)[8].Barakat[9]研究了生活垃圾開(kāi)放式燃燒產(chǎn)物中固相中PAHs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.6×10-6～124×10-6,可以看出生活垃圾的開(kāi)放式燃燒是非常重要的POPs以及二惡英排放源.開(kāi)放式燃燒所產(chǎn)生的持久性有機(jī)污染物很大一部分吸附在由不完全燃燒而生成的炭黑上,據(jù)統(tǒng)計(jì)全球約42%的炭黑釋放量來(lái)自于開(kāi)放式燃燒[10],Ni等[11]估算2007年全國(guó)炭黑總排放量為96.34萬(wàn)t.開(kāi)放式燃燒生成的炭黑直接排放至大氣環(huán)境中,對(duì)環(huán)境造成直接污染的同時(shí),對(duì)溫室效應(yīng)起著一定的推動(dòng)作用[12].生活垃圾的開(kāi)放式燃燒主要發(fā)生在經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后的城市和農(nóng)村居民區(qū),所產(chǎn)生的炭黑吸附了大量的重金屬以及有機(jī)污染物.

目前,國(guó)內(nèi)對(duì)生活垃圾開(kāi)放式燃燒生成的炭黑研究非常少,本文選取模擬生活垃圾作為原料,對(duì)開(kāi)放式燃燒產(chǎn)生的炭黑中多環(huán)芳烴以及二惡英的濃度進(jìn)行檢測(cè),并對(duì)微觀(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征.結(jié)合分析和表征的數(shù)據(jù)對(duì)炭黑的生成機(jī)理進(jìn)行討論.

1 炭黑的制備

1.1 生活垃圾組分分析

為了更好地模擬城市生活垃圾,調(diào)研了不同城市的生活垃圾組分并選取了Dong等[13]對(duì)杭州市生活垃圾成分的調(diào)研結(jié)果,具體如表1所示.表中,w(H2O)為各組分本身含水質(zhì)量分?jǐn)?shù),wB為各組分占垃圾總質(zhì)量分?jǐn)?shù),w(干基)為生活垃圾去除水分后各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù).可以看出,城市生活垃圾中廚余垃圾質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,達(dá)到58.15%；廢紙、塑料其次,分別占13.27%、18.81%.為了配置模擬生活垃圾,將廢紙、塑料、織物等大塊物品先烘干之后剪碎,按照干基比例與其他成分進(jìn)行混合,之后加入一定水分,得到模擬垃圾.

表1 城市生活垃圾各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)[13]

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置以及實(shí)驗(yàn)方案

為了較好地模擬開(kāi)放式燃燒并有效地收集炭黑,自制如圖1所示的焚燒爐.將配置好的模擬生活垃圾置于燃燒筒內(nèi)點(diǎn)燃,直至燃盡,收集吸附在煙罩以及煙道內(nèi)的炭黑,進(jìn)行后續(xù)的分析表征.

圖1 開(kāi)放式燃燒以及炭黑收集裝置Fig.1 Equipment to collect open-burning carbon black

2 炭黑表征以及微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析

2.1 表面形態(tài)分析

利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM,型號(hào)SU-70, Hitachi, Japan)對(duì)炭黑表面形態(tài)進(jìn)行分析表征；同時(shí)利用X射線(xiàn)能譜儀(EDS)對(duì)炭黑表面進(jìn)行能譜分析,從而確定元素組成.掃描圖像如圖2所示,從放大倍數(shù)為103的圖像中可以看出,炭黑單個(gè)顆粒的直徑約為1 mm,表面十分不規(guī)則.從放大倍數(shù)為104倍的圖像中可以看出,單個(gè)炭黑顆粒由更多的直徑小于0.5 μm的細(xì)小顆粒組成,表面空隙相當(dāng)大.

利用EDS對(duì)炭黑表面進(jìn)行能譜分析.結(jié)果顯示,該炭黑中主要元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：w(C)=78.40%,w(O)=12.48%,w(Cl)=0.45%,w(Cu)=4.79%.可以看出,除了碳作為主要的元素之外,該炭黑中含有非常高的氧、氯以及銅元素.氧元素和氯元素可能通過(guò)炭黑生成過(guò)程中發(fā)生的氧化及氯化作用進(jìn)入炭黑結(jié)構(gòu),以含氧官能團(tuán)和含氯官能團(tuán)的形式存在.

圖2 放大倍數(shù)為1 000和10 000時(shí)的炭黑表面Fig.2 Carbon black surface under magnification 1 000 times and 10 000 times

利用比表面積和孔隙分析儀(儀器型號(hào)為T(mén)rstar II3020)對(duì)炭黑進(jìn)行表征.結(jié)果顯示,炭黑的比表面積為27.554 m2/g,孔隙中的比表面積為16.827 m2/g,本實(shí)驗(yàn)室測(cè)得乙炔在900 ℃無(wú)氧條件下熱裂解所得到的炭黑比表面積僅為2～4m2/g,因此生活垃圾開(kāi)放式燃燒所產(chǎn)生的炭黑具有較高的比表面積,該結(jié)論與掃面電鏡觀(guān)察到的多孔徑表面像吻合.測(cè)得炭黑的平均顆粒直徑為0.217 μm,孔容積為0.098 5 cm3/g.

2.2 炭黑中碳的價(jià)態(tài)分析

對(duì)XPS全譜圖上的C、O、Cl 3個(gè)峰進(jìn)行積分求面積,得到3種元素的面積分別為28 935.2、18 040.4和393.94,相應(yīng)的響應(yīng)因子分別為0.205、0.63和0.48,計(jì)算得到3種元素的質(zhì)量比例為172∶35∶1.通過(guò)EDS掃描分析得到的幾個(gè)微米尺度內(nèi)的3種元素的質(zhì)量比例為174∶28∶1.通過(guò)比較可以看出,氯元素的分布從表面到內(nèi)部相差不大,氧元素更多地出現(xiàn)在炭黑的表面,說(shuō)明炭黑的表面更易發(fā)生氧化,含更多的含氧官能團(tuán).

圖3 城市生活垃圾焚燒炭黑全譜圖以及C1s譜圖Fig.3 Full spectrum and C1s spectrum of carbon black produced by municipal solid waste open-burning

Tab.2 XPS results for C1s of carbon black produced by municipal solid waste open-burning

E/eVwB/%歸屬284.675.0稠環(huán)骨架碳原子285.92.7C—Cl鍵286.10.9C—O鍵或C—OH鍵287.313.3CO鍵或O—C—O鍵288.88.1OC—O鍵

3 炭黑中痕量有機(jī)污染物的測(cè)定

3.1 二惡英成分以及分布

選取1 g左右收集的炭黑,根據(jù)美國(guó)環(huán)保部EPA-1613方法進(jìn)行二惡英分析測(cè)試的預(yù)處理,并利用高分辨氣相色譜/高分辨質(zhì)譜(JMS8000D, JEOL, Japan)進(jìn)行二惡英檢測(cè).檢測(cè)結(jié)果顯示,二惡英回收率為70%～125%,均在正常范圍內(nèi)(25%～150%).該檢測(cè)設(shè)有一組重復(fù)樣,結(jié)果顯示,重復(fù)樣中二惡英同系物的差異為3%～20%,總濃度差異約為7%,有良好的重復(fù)性.不同同系物的濃度如圖4所示,炭黑中的二惡英質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3.19×10-7,毒性當(dāng)量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.92×10-8.

圖4 生活垃圾焚燒炭黑中PCDD/Fs同系物分布Fig.4 PCDD/Fs congeners distribution in carbon black produced by municipal solid waste open-burning

從圖4可以看出,炭黑生成過(guò)程中產(chǎn)生的二惡英主要以PCDF為主,在P4CDD/F到P8CDD/F中的136種同系物中,PCDD/PCDF質(zhì)量比為0.427,且主要以四氯代同系物為主.隨著氯取代數(shù)的增加,相應(yīng)的PCDD與PCDF含量急劇下降.T4CDD與T4CDF分別占PCDD、PCDF總濃度的58%和65%.對(duì)毒性當(dāng)量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),在17種有毒二惡英中,PCDD/PCDF質(zhì)量比為0.173,對(duì)應(yīng)的毒性當(dāng)量TEQ比值為0.396.可見(jiàn),炭黑中毒性當(dāng)量主要源自于PCDF,且主要為四氯代的PCDD/F,2,3,7,8-T4CDD和2,3,7,8-T4CDF分別占了PCDD與PCDF總毒性當(dāng)量的86.7%和89.8%.可以看出,開(kāi)放式燃燒炭黑中的二惡英主要以低氯代的PCDD/F為主,PCDD和PCDF呈現(xiàn)相似的分布規(guī)律,且2,3,7,8-T4CDD和2,3,7,8-T4CDF占據(jù)了大部分的毒性當(dāng)量.

Chen等[16]分析5座生活垃圾焚燒爐飛灰中的二惡英質(zhì)量分?jǐn)?shù)及分布,發(fā)現(xiàn)實(shí)際生活垃圾焚燒爐飛灰中的二惡英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.92×10-8～2.36×10-7,隨著不同的燃燒爐、煙氣凈化設(shè)施以及工況不同而變化.飛灰中的PCDD以八氯代的OCDD為主,各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著氯取代數(shù)的增加而增加,T4CDD質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低；而PCDF的分布以T4CDF為主,各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著氯取代數(shù)的增加而減少,與PCDD呈相反的趨勢(shì).各飛灰中的毒性當(dāng)量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45×10-9～2.67×10-9,17種有毒二惡英中PCDD/PCDF的質(zhì)量比為0.30～0.51,主要毒性來(lái)源為2,3,7,8-T4CDD、1,2,3,7,8-P5CDD、2,3,7,8-T4CDF和1,2,4,7,8-T5CDF.

通過(guò)比較生活垃圾開(kāi)放式燃燒炭黑與生活垃圾焚燒爐飛灰中的二惡英分布發(fā)現(xiàn),開(kāi)放式燃燒炭黑中二惡英濃度及毒性當(dāng)量都遠(yuǎn)高于焚燒爐飛灰.開(kāi)放式燃燒主要以四氯代二惡英為代表的低氯代二惡英為主,焚燒爐飛灰的氯代程度較高,尤其是PCDD主要以八氯代的OCDD為主.造成該現(xiàn)象的原因可能是開(kāi)放式燃燒炭黑顆粒在燃燒氣氛中的停留時(shí)間短,未能充分進(jìn)行氯化反應(yīng).兩者的相同點(diǎn)是主要的毒性來(lái)源都是4～5氯代的二惡英,且PCDF呈相似的分布規(guī)律.

3.2 多環(huán)芳烴成分以及分布

圖5 生活垃圾開(kāi)放式焚燒炭黑中PAHs分布Fig.5 PAHs distribution in in carbon black produced by municipal solid waste open-burning

PAHs類(lèi)物質(zhì)的檢測(cè)依據(jù)《環(huán)境空氣和廢氣氣相和顆粒物中多環(huán)芳烴的測(cè)定氣相色譜質(zhì)譜法》(HJ646-2013)的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行分析處理,并通過(guò)GC-MS氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用(JMS-Q1050GC)進(jìn)行檢測(cè).炭黑中的PAHs檢測(cè)結(jié)果如圖5所示.可以看出,在16種PAHs中苯并(a)蒽和屈的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,分別為683.4×10-6和694.5×10-6,分別占PAHs總量的41.9%和42.6%.蒽、熒蒽、芘、苯并(b)熒蒽、苯并(k)熒蒽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,為2.65×10-5～6.37×10-5,萘、芴、菲、苯并(a)芘、茚并(1,2,3-c,d)芘、苯并(g,h,i)苝、二苯并(a,h)蒽等物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5×10-6～5.2×10-6,苊烯和苊未能檢測(cè)到.從分布上來(lái)看,質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的苯并(a)蒽、屈以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的熒蒽、芘均為四環(huán)結(jié)構(gòu)；三環(huán)結(jié)構(gòu)的PAHs中苊烯和苊低于檢測(cè)限,芴、菲的質(zhì)量分?jǐn)?shù)非常低；五環(huán)結(jié)構(gòu)中苯并(b)熒蒽、苯并(k)熒質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,其余的五環(huán)以及六環(huán)結(jié)構(gòu)的PAHs質(zhì)量分?jǐn)?shù)都非常低.對(duì)比發(fā)現(xiàn),炭黑表面的PAHs主要以四環(huán)結(jié)構(gòu)為主.PAHs的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.63×10-3,總毒性當(dāng)量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.865×10-5,其中苯并(a)蒽一種物質(zhì)占了總毒性當(dāng)量的77.1%.具有致癌性的PAHs總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.44×10-3,可見(jiàn)開(kāi)放式燃燒所生產(chǎn)的PAHs主要為具有致癌作用的組分,炭黑具有非常高的致癌性.

Wild等[17]分析了不同的生活垃圾焚燒爐飛灰中的多環(huán)芳烴,結(jié)果顯示,總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.27×10-7,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于開(kāi)放式燃燒炭黑中的濃度.飛灰中的多環(huán)芳烴主要以菲、芘、苯并(g,h,i)苝為主,與開(kāi)放式燃燒炭黑的分布不同.Johansson等[18]分析了在生活垃圾焚燒爐底灰中的多環(huán)芳烴,結(jié)果顯示,總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.48×10-6～3.59×10-6,具有致癌性多環(huán)芳烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.4×10-8～4.38×10-7.分布較多的組分為萘和菲.可見(jiàn)生活垃圾焚燒爐對(duì)燃燒產(chǎn)生的多環(huán)芳烴具有很高的降解作用,不論是飛灰還是底灰,PAHs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都非常低.

4 炭黑的生成機(jī)理

Frenklach等[19-20]認(rèn)為在炭黑顆粒的生成過(guò)程中,小分子化合物與多環(huán)芳烴的反應(yīng)是至關(guān)重要的.當(dāng)燃燒不充分時(shí)會(huì)生成大量的多環(huán)芳烴類(lèi)物質(zhì),并且與燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的乙炔、芳香烴等小分子發(fā)生反應(yīng),從而導(dǎo)致碳鏈的不斷增長(zhǎng).多環(huán)芳烴分子之間相互碰撞并結(jié)合在一起形成更大的分子,并最終形成固體顆粒.生成的固體顆粒之間繼續(xù)發(fā)生碰撞并結(jié)合成更大的顆粒,由最初的球狀小顆粒團(tuán)聚為不規(guī)則的簇狀顆粒物.對(duì)生活垃圾焚燒炭黑的SEM表征很好地印證了該理論,從SEM圖像可以明顯觀(guān)察到單個(gè)不規(guī)則的炭黑顆粒直徑大約為1 mm,單個(gè)顆粒由許多顆粒直徑小于0.5 μm的球形顆粒組成.通過(guò)比表面積和空隙分析儀對(duì)炭黑進(jìn)行表征發(fā)現(xiàn),炭黑顆粒的平均直徑為217.8 nm,該粒徑尺寸與相關(guān)文獻(xiàn)的結(jié)論(<0.5 μm)相吻合[21-22].炭黑孔隙中的比表面積為16.827 m2/g,孔容積為0.098 5 cm3/g,表明炭黑是十分疏松多孔的物質(zhì),通常以氣溶膠的形式存在于大氣中,有非常好的吸附性能.

炭黑顆粒存在較高含量的催化金屬以及有機(jī)氯和含氧官能團(tuán),因此具有非常高的催化氧化生成持久性有機(jī)污染物的活性.通過(guò)對(duì)炭黑中的有機(jī)污染物分析可以發(fā)現(xiàn),炭黑的生成過(guò)程中產(chǎn)生的固相中的二惡英毒性當(dāng)量質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)1.92×10-8,生成的多環(huán)芳烴類(lèi)物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)8.865×10-5,可見(jiàn)生活垃圾焚燒炭黑具有非常高的毒性,對(duì)人體有強(qiáng)制劑致癌致突變的危害.

5 結(jié) 論

(1)生活垃圾焚燒炭黑的組成單位為平均顆粒直徑為217.8 nm的球狀炭黑顆粒,許多球狀炭黑顆粒團(tuán)聚成大小約為0.5 mm的顆粒.炭黑比表面積高達(dá)27.554 m2/kg,是非常疏松多孔的物質(zhì),主要元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：w(C)=78.40%,w(O)=12.48%,w(Cl)=0.45%,w(Cu)=4.79%.

(3)炭黑中PCDD/Fs的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.19×10-7,其中主要以P4CDD以及P4CDF為主；毒性當(dāng)量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.92×10-8,其中2,3,7,8-T4CDD和2,3,7,8-T4CDF分別占了PCDD與PCDF總毒性當(dāng)量的86.7%和89.8%.PAHs的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.63×10-3,其中具有致癌性的組分總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.33×10-3；總毒性當(dāng)量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.865×10-5,其中苯并(a)蒽占總毒性當(dāng)量的77.1 %.

[1] OCHOA G S,ROSA D,LARRALDE P M, et al. Open burning of household waste: effect of experimental condition on combustion quality and emission of PCDD, PCDF and PCB [J]. Chemosphere, 2012, 87(9): 1003-1008.

[2] LEMIEUX P M, LUTES C C, SANTOIANNI D A.Emissions of organic air toxics from open burning: a comprehensive review [J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2004, 30(1): 1-32．

[3] ESTRELLAN C R, IINO F. Toxic emissions from open burning [J]. Chemosphere, 2010, 80(3): 193-207．

[4] US EPA. Exposure and human health reassessment of 2, 3, 7, 8-Tetrachlorodibenzo-p-Dioxin (TCDD) and related compounds [R]. Washington D. C.: EPA,2003.

[5] Standardized toolkit for identification and quantification of dioxin and furan releases [R]. Geneva: UNEP, 2005.

[6] Hazardous chemicals from open burning of waste in developing countries [R]. Geneva: UNEP, 2010.

[7] WEVERS M, FRE R D, DESMEDT M. Effect of backyard burning on dioxin deposition and air concentrations [J]. Chemosphere, 2004, 54(9): 1351-1356．

[8] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)局科技標(biāo)準(zhǔn)司. 生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)GB18485 [S].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2014．

[9] BARAKAT A O. Persistent organic pollutants in smoke particles emitted during open burning of municipal solid wastes [J]. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 2003, 70(1): 0174-0181．

[10] BOND T C,STREETS D G,YARBER K F,et al. A technology-based global inventory of black and organic carbon emissions from combustion [J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2004, 109(D14): 1984-2012.

[11] NI M J, HUANG J X, LU S Y, et al. A review on black carbon emissions, worldwide and in China [J]. Chemosphere, 2014, 107: 83-93．

[12] RAMANATHAN V,CARMICHAEL G. Global and regional climate changes due to black carbon [J]. Nature Geoscience, 2008, 1(4): 221-227．

[13] DONG J,NI M J,CHI Y,et al. Life cycle and economic assessment of source-separated MSW collection with regard to greenhouse gas emissions: a case study in China[J]. Environmental Science and PollutionResearch, 2013, 20(8): 5512-5524．

[14] KELEMEN S R, AFEWORKI M, GORBATY M L,et al. Characterization of organically bound oxygen forms in lignites, peats, and pyrolyzed peats by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and solid-state 13C NMR methods [J]. Energy and Fuels, 2002, 16(6): 1450-1462．

[15] 肖英,李蘭英,張瑞,等.獲取優(yōu)良分散性炭黑的表面硝酸氧化[J].材料科學(xué)與工藝, 2005, 13(1): 75-77．

XIAO Ying, LI Lan-ying, ZHANG Rui,et al. Thenitric acid oxidation of carbon black surface to obtain the good dispersion [J]. Materials Science and Technology, 2005, 13(1): 75-77．

[16] CHEN T,YAN J H,LU S Y,et al. Characteristic of polychlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans in fly ash from incinerators in China [J]. Journal of Hazardous Materials, 2008, 150(3): 510-514．

[17] WILD S R,MITCHEILL D J,YELLAND C M, et al. Municipal solid waste incinerator fly ash as a source of polynuclear aromatic hydrocarbons (PAHs) to the environment [J]. Waste Management and Research, 1992, 10(1): 99-111．

[18] JOHANSSON I, BAVEL B. Polycyclic aromatichydrocarbons in weathered bottom ash from incineration of municipal solid waste [J]. Chemosphere, 2003, 53(2): 123-128．

[19] FRENKLACH M. Reaction mechanism of soot formation in flames [J]. Physical Chemistry Chemical Physics, 2002, 4(11): 2028-2037．

[20] MANSUROV Z A. Soot formation in combustion processes (review)[J]. Combustion, Explosion and Shock Waves, 2005, 41(6): 727-744．

[21] PATSCHULL J, ROTH P. Measurement and reduction of particles emitted from a two-stroke engine [J]. Journal of Aerosol Science, 1995, 26(6): 979-987．

[22] ZHANG H, HU D, CHEN J, et al. Particle size distribution and polycyclic aromatic hydrocarbons emissions from agricultural crop residue burning [J]. Environmental Science and Technology, 2011, 45(13):5477-5482．

Microstructure and pollutant analysis of carbon black produced by municipal solid waste open-burning

CHEN Jing-hao, HUANG Jian-xin, LU Sheng-yong, LI Xiao-dong, YAN Jian-hua

(StateKeyLaboratoryofCleanEnergyUtilization,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

A representative model municipal solid waste was prepared for open burning experiment. Carbon black was gathered and detailed characterization was done by means of scanning electron microscope (SEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and specific surface area and pore analyzer. Carbon black is made up of small spherical particles, the particle diameter is about 217.8 nm and specific surface area is up to 27.554 m2/g. The carbon black shows high reactivity as abundant oxygen-containing and chlorine-containing functional groups are detected as well as catalytic metal. The carbon produced from municipal solid waste open-burning contains abundant persistent organic pollutants, such as polychlorinated dibenzo-p-dioxins/ dibenzofurans (PCDD/Fs) and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). The mass fraction of PAHs and PCDD/Fs in carbon black is up to 8.865×10-5and 1.92 ×10-8. As the carbon black produced from municipal solid waste open-burning is directly released to the environment, as well as other gas phase pollutant, more attention should be paid on its harm to the environment.

open-burning; carbon black; microstructure; PCDD/Fs; PAHs

2015-09-06.

浙江省自然科學(xué)基金杰出青年基金資助項(xiàng)目(LR14E060001)；教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20130101110097).

陳經(jīng)浩(1991—),男,碩士生,從事固體廢棄物焚燒利用及污染物控制研究.ORCID: 0000-0001-7376-1044.

E-mail: 21327070@zju.edu.cn

陸勝勇,男,教授.ORCID: 0000-0003-2684-3498.E-mail: lushy@zju.edu.cn

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.10.002

TU 411; TU 472

A

1008-973X(2016)10-1849-06

浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)網(wǎng)址： www.zjujournals.com/eng