CN112238122A

CN112238122A - 一种医疗废弃物微波催化分解的处理工艺

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Publication number: CN112238122A
Application number: CN202010969977.XA
Authority: CN
Inventors: 介翔宇; 张兆熙
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-09-15
Filing date: 2020-09-15
Publication date: 2021-01-19
Anticipated expiration: 2040-09-15
Also published as: CN112238122B

Abstract

本发明涉及垃圾处理工艺，具体涉及一种医疗废弃物微波催化分解的处理工艺。所述处理工艺包括：在标准大气压、无氧/少氧的环境下，通过微波与催化剂的相互作用对医疗废弃物有选择性的催化分解，产生包括氢气，甲烷和小分子碳氢化合物等的可燃气体；或合成气；和二氧化碳。根据需求，可在处理过程中提取高价值碳材料。处理过程无二次污染；所产的富氢燃料可以经二次燃烧用于发电产热并产生良好的环境效益与经济效益。

Description

一种医疗废弃物微波催化分解的处理工艺

技术领域

本发明涉及垃圾处理工艺，具体涉及一种医疗废弃物微波催化分解的处理工艺。

背景技术

医疗垃圾是指医疗机构在医疗、预防、保健以及其他相关活动中产生的具有直接或间接感染性、毒性以及其他危害性的废物。

医疗废物具有空间污染、急性传染和潜伏性传染等特征，其病毒菌的危害是城市生活垃圾的几十倍甚至上百倍，是一种影响广泛、危害较大的特殊废弃物。若管理不严或处置不当，医疗废物极易造成对水体、土壤和空气的污染，极易成为传播病毒的源头，并造成疫情的扩散。

目前对医疗废弃物的处理，通常采用焚烧的方法，焚烧作为一种处理废弃物最古老的方法，能将有恶臭气味的氨和有机废气有效分解除臭，并能减容，但焚烧后产生二次污染和环境污染，产生很多的有害物质，例如：不透明的粒子物质、二氧化硫、氯化氢、氮的氧化物、一氧化碳、铅、镉、汞等，这些有害物质有可能引起癌症，影响人的生育和生长，或产生其它严重的健康问题和环境污染。

相比于城市垃圾污染，医疗垃圾处理的现状更加严峻。这主要源于目前医疗垃圾焚烧处理工艺简陋，设备简单，造成焚烧不充分、不彻底，焚烧后残渣细菌、病原体总数超标，不符合无害化处理的标准要求。特别是在应对大型疫情时期，绝大多数医废焚烧处理不充，焚烧产生的有毒有害气体得不到处理，造成二次污染，直接危害到人民的健康与正常生活和生产，以及影响到经济的可持续发展。

除了医废处理技术水平落后外，由于政策法规欠缺、监管不严，我国医疗废物管理和处置方面存在很大的安全漏洞，尤其在运输集中处理过程中容易出现贩卖给回收小贩、随意丢弃、混入生活垃圾等乱象，甚至还催生出由破碎料加工厂、破碎料经销商、再生颗粒加工厂、再生颗粒经销商、产品生产厂家等构成的医疗废弃物“黑色利益链”。

所以，为保障医疗垃圾就地、就近处理的急切需求，医废处理的相关工艺技术应进行有效创新和改造，以满足医废的去中心化、快速无害化、减量化处理。

医疗废物共分五类，感染性废物、病理性废物、损伤性废物、药物性废物和化学性废物；并列入《国家危险废物名录(2016版)》。根据医疗废物的物理组成特点分类，将其分为含氯塑料、非含氯塑料、橡胶、织物、纸类、绵竹、玻璃、金属及其他八大类。针对医疗废物成分分类归纳为两大类，有机成分及无机成分；有机成分包括：天然纱布棉签等敷料(棉纤维的化学成分主要是纤维素,平均含量在94.5％左右，其次是蜡质、脂肪，占0.6％左右；果胶庾占1.2％左右，含氮物质占1.2％左右，灰分占1.2％左右；其他成分占1.3％左右；纤维素是多醣类髙分子化合物，由碳、氢、氧三种和素组成，可用(C6H10O6)n通式来表示。n的数值可达10000～14000。n的大小表示聚合度的大小，聚合度越大，棉纤维的性能就越好。)；人工合成敷料(合成纤维类敷料、多聚膜类敷料、发泡多聚类敷料、水胶体类敷料、藻酸盐敷料等；主要有聚丙烯腈、聚酰胺、聚氨酯、羧甲基纤维素钠以及多聚糖醛酸的钠或钙盐)；塑料包装及器具(主要为PP、PVC以及高性能聚烯烃热塑弹性体(TPE)等)；血液以及组织废弃物(主要固体组成是碳水化合物约12％、脂肪约35％和蛋白质约50％)；废弃医用药品(种类繁多，多为含碳、氢、氮、氧及磷组成的有机类药品)。无机成分包括：金属及玻璃两大类。

发明内容

针对当下医疗废弃物处理困难的技术问题，本发明提供了一种医疗废弃物微波催化分解的处理工艺，在标准大气压，无氧/少氧的环境下、通过微波与催化剂的相互作用对医疗废弃物有选择性的催化分解；产生包括氢气，甲烷，乙烷，乙烯，丙烯、合成气和二氧化碳的干气和碳材料。处理过程无二次污染，符合国家对污染排放的要求，是一种安全、节能环保的新技术新工艺。根据实际情况和经济价值需求，在处理过程中可以提取和回收高价值碳材料进行再利用。

本发明利用微波与催化剂的相互作用对医疗废弃物进行选择性催化分解。当微波作用于催化剂，催化剂对医疗废弃物中的有机成分进行充分的催化分解；而无机成分如金属、玻璃和陶瓷不会发生化学变化；其中废弃金属对医废处理还具有促进作用而可以不做任何处理。

具体而言，本发明的技术方案如下：

一种医疗废弃物的处理工艺，在标准大气压、氧气含量低于5000ppm的环境下，通过微波与催化剂的相互作用对医疗废弃物进行催化分解；

其中，所述催化剂为碳化铁；或碳与选自铁和铁氧化合物中的至少一种的混合物，在所述混合物中，Fe与C的重量比为5～0.5：1；

所述微波的功率为200W以上。

其中，碳可以是活性碳、炭黑、煤炭渣、木炭、回收碳粉等以碳单质为主的碳颗粒或粉末。

处理工艺可以在惰性环境中进行，比如，使用氮气、氩气等惰性气体作为载气；或，在反应前利用氮气或氩气等惰性气体进行吹扫。

优选地，碳与选自铁和铁氧化合物中的至少一种进行混合时，通过机械物理混合；或是经化学技术处理混合。化学技术处理包括但不局限于利用浸渍法，沉淀法或燃烧法将铁担载在碳上。

作为优选，以所述医疗废弃物的质量为基准，所述微波的处理时间为5～15分钟/kg。

为了进一步优化产物分布，保证催化处理过程无二次污染，优选地，在前1/3的反应时间内，微波功率为1000W以上；在剩余的反应时间内，微波功率为200～750W。

作为优选，为了满足金属催化剂吸收微波的效果，所述铁和铁氧化合物的粒径为50nm～500μm。

在本发明中，反应炉为常规的微波处理炉。

优选地，微波源是磁控管或固态源。

作为优选，所述微波的频率为微波频率是2.45GHz或915MHz。

作为优选，所述医疗废弃物与所述催化剂的重量比为1～10：1。

作为优选，所述医疗废弃物为天然敷料、人工合成敷料、塑料包装及器具中的一种或几种。

作为优选，在进行催化分解前，对医疗废弃物和催化剂进行机械物理混合，使催化剂颗粒附着于医疗废物上。

优选地，混合处理时间为3～15分钟。

本发明处理流程中，混合可采用任何适合的方式。例如，搅拌，研磨，粉碎等以达到让催化剂颗粒/粉末与医疗废弃物相互充分接触。

作为优选，控制所述医疗废弃物的粒径小于5cm；优选小于1cm。

作为优选，在催化剂反复回收利用后，对所述催化剂进行再生处理后回收再利用，所述再生处理的条件具体如下：在500～1000℃下，处理时间为10～30分钟；

优选在进行所述再生处理前，通过酸洗法或高温熔融法对生成的碳材料进行分离提纯；其中，酸洗条件为：用浓度不低于5.0Mole/L的浓硝酸、浓硫酸或浓盐酸对样品进行5～20次反复酸洗；高温熔融处理条件如下：在无氧，1800℃以上的温度下，处理时间为30～60分钟。

本发明的处理工艺是让金属催化剂在微波作用下活化，从而实现催化分解医疗废物。微波催化分解可以由多重路径实现，包括催化裂化，催化脱氢，催化碳化，热解，等离子热解。金属催化剂在微波作用下会升温，但是微波作用下催化分解不是单纯的热催化作用；催化剂温度也可能达不到热解温度要求。另外，在微波作用下，电场和磁场也对催化反应有促进作用，这其中包括但不局限于局部超高电场的形成，以及微波等离子体的形成和改变原有的化学反应平衡和反应活化能等。例如，局部超强电场的形成可以改变催化剂的表面特性而产生局部高能量等离子体，从而降低反应活化能。有选择性的进行催化反应。本发明通过调节微波功率的大小而调节反应温度，从而达到控制产物分布的目的，获得无毒无害的可燃气体和碳。另外，通过控制反应时间长短，可以控制固、液和气体产物比例。

本发明的有益效果在于：

经催化分解后收集的干气为富含氢气的清洁燃料，其中，氢气含量不低于70％，氢气与甲烷总量不低于干气总量的90％，液体产率不高于5％，可通入锅炉或燃烧炉进行燃烧发电产热，再经过烟气处理系统处理后进行排放。烟气处理系统为常规的降温、除尘、脱硫脱硝等工艺。

催化剂可以经再生气化除碳处理回收再利用。处理产生合成气可用于燃烧发电产热。

根据实际需求及经济价值，可以将反应过程中产生的碳材料进行回收再利用。将固体物料冷却回收，分离催化剂、玻璃、金属和碳。将碳进行二次提纯生产具有高价值的碳材料，包括碳纳米管、碳纤维、炭黑、石墨和石墨烯等。提纯后的碳纳米管产率达50％以上，浓度不小于80％，平均直径为5nm～100nm。

附图说明

图1为本发明的工艺流程示意图。其中，(1)为混合粉碎装置；(2)为微波反应器(反应炉)。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

为了便于比对效果，以下实施方式中使用的铁或铁氧化合物的粒径均为50nm～500μm。

实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。

实施例1微波催化一次性塑料针筒(聚丙烯)

本实施例提供一种一次性塑料针筒的处理工艺，工艺流程示意图见图1，其中，(1)为混合粉碎装置；(2)为微波反应器(反应炉)。具体包括如下步骤：

(1)对针筒进行预处理，将其粉碎为小于1cm的碎片。粉碎后的针筒塑料碎片按重量比1：1与催化剂进行充分的物理机械混合；

其中实验组A，B和C所使用的催化剂分别为：A：铁粉；B：碳和铁的混合物，且其中Fe与C的重量比为5：1；C：碳和铁的混合物，且其中Fe与C的重量比为6：1。

(2)取1g混合样品暴露在微波反应器下，在氩气条件(100ml/min)下内进行10分钟的吹扫。设定微波频率为2.45GHz，反应10分钟，在前1/3的反应时间内，微波功率为1000W；在剩余的反应时间内，微波功率为750W。

针筒碎片被快速催化分解。将收集到的气体进行分析；冷却后收集固体样品进行分析。

表一和表二记录了使用不同催化剂进行催化分解后的产物分布。

表一，微波催化分解一次性塑料针筒气、液和固的产率

表二，微波催化分解一次性塑料针筒气体分析结果

实施例2：微波催化医用包装袋(聚乙烯塑料包装)

本实施例提供一种医用包装袋的处理工艺，工艺流程示意图见图1，其中，(1)为混合粉碎装置；(2)为微波反应器(反应炉)。具体包括如下步骤：

(1)对医用包装袋进行预处理，将其粉碎为小于1cm的碎片。粉碎后的包装袋碎片按重量比10：1与催化剂进行充分的物理机械混合；

其中所使用的催化剂分别为：A：铁粉；B：碳和氧化亚铁的混合物，且其中Fe与C的重量比为0.5：1；C：碳和氧化亚铁的混合物，且其中Fe与C的重量比为0.3：1。

(2)取1g混合样品暴露在微波反应器下，在氩气条件(100ml/min)下内进行10分钟的吹扫。采用恒定功率进行反应，设定微波频率为2.45GHz，微波输入功率为1000W，反应10分钟。

包装袋碎片被快速催化分解。将收集到的气体进行分析；冷却后收集固体样品进行分析。

(3)实验组D使用与实验组B相同的催化剂，碳和铁的混合物，其中Fe与C的重量比为0.5：1。取1g混合样品暴露在微波反应器下，在氩气条件(100ml/min)下内进行10分钟的吹扫。采用恒定功率进行反应，设定微波频率为2.45GHz，微波输入功率为200W，反应30分钟。

表三和表四记录了使用不同催化剂，不同微波功率进行催化分解后的产物分布。

表三，微波催化分解医用包装袋气、液和固的产率

表四，微波催化分解医用包装袋气体分析结果

实施例3：微波催化聚氯乙烯医用包装袋

(1)对医用包装袋进行预处理，将其粉碎为小于1cm的碎片。粉碎后的包装袋碎片按重量比1：1与催化剂进行充分的物理机械混合；

其中所使用的催化剂分别为：碳和氧化亚铁的混合物，且其中Fe与C的重量比为5：1；

利用排水集气法收集气体，反应后水的pH值上升，证明反应过程中有少量HCl生成。对生成的气体，液体和固体进行检查，无二恶英生成。

催化分解后的气、固和液产率为：气体产率53wt.％，固体产率46wt.％，液体产率2wt.％。

收集的气体产物分布分析结果为：氢气74Vol.％；甲烷14.1Vol.％；C2～C55.8Vol.％；一氧化碳4.4Vol.％；二氧化碳1.7Vol.％

实施例4：微波催化丁晴橡胶手套

本实施例提供一种丁晴橡胶手套的处理工艺，工艺流程示意图见图1，其中，(1)为混合粉碎装置；(2)为微波反应器(反应炉)。具体包括如下步骤：

(1)对丁晴橡胶手套进行预处理，将其粉碎为小于1cm的碎片。粉碎后的丁晴橡胶手套碎片按重量比2：1与催化剂进行充分的物理机械混合；

其中所使用的催化剂分别为：碳和氧化亚铁的混合物，且其中Fe与C的重量比为5：1。

丁晴橡胶手套碎片被快速催化分解。将收集到的气体进行分析；冷却后收集固体样品进行分析。

催化分解后的气、固和液产率为：气体产率58wt.％，固体产率41wt.％，液体产率0.4wt.％。

收集的气体产物分布分析结果为：氢气79Vol.％；甲烷12.8Vol.％；C2～C53.3Vol.％；一氧化碳3.7Vol.％；二氧化碳1.2Vol.％

实施例5：微波催化纱布

本实施例提供一种纱布的处理工艺，工艺流程示意图见图1，其中，(1)为混合粉碎装置；(2)为微波反应器(反应炉)。具体包括如下步骤：

(1)对纱布进行预处理，将其粉碎为小于1cm的碎片。粉碎后的纱布碎片按重量比5：1与催化剂进行充分的物理机械混合；

其中所使用的催化剂分别为：A：铁粉；B：碳和氧化亚铁的混合物，且其中Fe与C的重量比为4：1；C：碳和氧化亚铁的混合物，且其中Fe与C的重量比为6：1。

(2)取1g混合样品暴露在微波反应器下，在氩气条件(100ml/min)下内进行10分钟的吹扫。设定微波频率为2.45GHz，反应10分钟，在前1/3的反应时间内，微波功率为1300W；在剩余的反应时间内，微波功率为650W。

纱布碎片被快速催化分解。将收集到的气体进行分析；冷却后收集固体样品进行分析。

表五和表六记录了使用不同催化剂进行催化分解后的产物分布。

表五，微波催化分解纱布气、液和固的产率

表六，微波催化分解纱布气体分析结果

实施例6：微波催化针筒、医用包装袋、丁晴手套和纱布的混合物

本实施例提供一种针筒、医用包装袋、丁晴手套和纱布的混合物的处理工艺，工艺流程示意图见图1，其中，(1)为混合粉碎装置；(2)为微波反应器(反应炉)。具体包括如下步骤：

(1)按2：2：1：1的比例，对针筒、医用包装袋、丁晴手套和纱布进行粉碎混合，将其粉碎为小于1cm的碎片。粉碎后的碎片按重量比2：1与催化剂进行充分的物理机械混合；

其中所使用的催化剂分别为：A：铁粉；B：碳和氧化亚铁的混合物，且其中Fe与C的重量比为5：1；C：碳和氧化亚铁的混合物，且其中Fe与C的重量比为6：1。

(2)取1g混合样品暴露在微波反应器下，在氩气条件(100ml/min)下内进行10分钟的吹扫。设定微波频率为2.45GHz，反应10分钟，在前1/3的反应时间内，微波功率为1200W；在剩余的反应时间内，微波功率为750W。

碎片被快速催化分解。将收集到的气体进行分析；冷却后收集固体样品进行分析。

表七和表八记录了使用不同催化剂进行催化分解后的产物分布。

表七，微波催化分解混合物的气、液和固的产率

表八，微波催化分解混合物的气体分析结果

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种医疗废弃物的处理工艺，其特征在于，在标准大气压、氧气含量低于5000ppm的环境下，通过微波与催化剂的相互作用对医疗废弃物进行催化分解；

所述微波的功率为200W以上。

2.根据权利要求1所述的处理工艺，其特征在于，以所述医疗废弃物的质量为基准，所述微波的处理时间为5～15分钟/kg。

3.根据权利要求1或2所述的处理工艺，其特征在于，在前1/3的反应时间内，微波功率为1000W以上；在剩余的反应时间内，微波功率为200～750W。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的处理工艺，其特征在于，所述铁和铁氧化合物的粒径为50nm～500μm。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的处理工艺，其特征在于，所述微波的频率为微波频率是2.45GHz或915MHz。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的处理工艺，其特征在于，所述医疗废弃物与所述催化剂的重量比为1～10：1。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的处理工艺，其特征在于，所述医疗废弃物为天然敷料、人工合成敷料、塑料包装及器具中的一种或几种。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的处理工艺，其特征在于，在进行催化分解前，对医疗废弃物和催化剂进行机械物理混合；优选混合处理时间为3～15分钟。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的处理工艺，其特征在于，控制所述医疗废弃物的粒径小于5cm；优选小于1cm。

10.根据权利要求1～9中任一项所述的处理工艺，其特征在于，在催化剂反复回收利用后，对所述催化剂进行再生处理后回收再利用，所述再生处理的条件具体如下：在500～1000℃下，处理时间为10～30分钟；