空間固廢熱熔壓縮穩定成型試驗研究

蔣 慧, 劉 相, 田 科, 周抗寒, 張俊豐*, 吳志強

(1.湘潭大學環境與資源學院, 湘潭 411105; 2.中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室, 北京 100094)

1 引言

在多乘組、長周期的載人飛行任務中,會產生大量難以處理的固體廢物。主要包括塑料、衛生用品、食品包裝、食物殘渣、紙張、衣服及其他廢棄物[1-3]。據統計[4],4 人乘組在軌飛行一年產生累積固廢高達2611 kg,體積高達4200 m3,與日俱的空間固廢顯著增加了空間飛行的無用負荷。同時這些固廢中富含珍貴的水資源,水含量約為30%[4-5]。另外在食物殘渣、食物包裝廢棄物、廢棄太空飲水袋和個人衛生廢棄物上檢測到大量微生物,包括病原體和致病菌[6],如果不能及時對其進行處理,將影響航天員正常生活和工作,甚至威脅到航天員健康和生命安全。因此,保證空間固體廢物以較小的體積安全和穩定地儲存十分重要。

目前,空間固廢處理仍采用手動壓縮技術,其處理對象范圍較窄,存在廢物壓縮后回彈現象[7],同時廢物存在發酵風險,且無法實現水資源回收,已經不能適用于空間站固體廢物的處理需求。在空間站能源、空間、重量和地面保障的限制條件下,熱熔壓縮技術因其物質輸入較少,所需能耗及成本較低,同時可實現水資源回收,被認為是空間固廢處理技術中有發展前途的一項技術[8-9]。現有手動壓縮固廢體積減少僅50%左右,通過熱熔壓縮后的平均減容可達85%,水分回收率在90%以上[10-12],并且通過將固廢中的塑料進行熔融和固化可防止固廢的回彈。

NASA 在熱熔壓縮原型機的基礎上,對空間固廢在熱熔壓縮處理中,有害氣體的釋放特性、回收的水質及穩定成型性等進行研究。如Linden等[13]研究了不同試驗條件對熱熔壓縮過程生成氣體組分的影響,結果表明,改變溫度并不會顯著改變產生有機物的總量,但會改變所產生的單組分氣體濃度。Harris 等[14]對不同單組分固廢在熱熔過程收集的冷凝水進行了水質分析,研究發現除了NH4+和SO42-外,其他離子濃度很低,均低于檢測下限。Golliher 等[15]研究在不同溫度下處理的固廢壓縮塊的微生物活性,并測試了微生物在加熱和壓實后的再生長特性,結果表明,壓縮塊仍然有再生長的微生物。空間固廢組成十分復雜,含有食品、塑料等物化性質完全不同的物質,固廢食物及塑料熱熔包裹成型困難,導致熱熔壓縮塊發生回彈[16-17]。同時,空間固廢熱熔壓縮穩定成型的問題,會嚴重影響熱熔壓縮裝置的功耗,決定其空間應用的可行性。因此亟需摸索低功耗條件下固廢熱熔穩定成型的規律。

中國空間站與國際空間站由于航天員的飲食、服裝、生活節律完全不同,固廢處理對象特性也不同,因此需針對空間站固廢特點,開展空間固廢熱熔壓縮成型試驗研究。熱熔溫度、塑料占比、含水率是影響固廢熱熔壓縮安全穩定成型的主要因素,實現三者良好的協同控制,可最大程度地使壓縮、加熱和成型協同匹配。本文針對中國載人航天典型空間固廢開展熱熔壓縮成型試驗,對不同固廢模型熱熔壓縮特性及氣體釋放規律進行分析,掌握熱熔壓縮運行的工藝參數,以實現空間站固體廢物中的減容和資源化處理。

2 方法

2.1 試驗材料

根據空間固廢產生的規律,涵蓋真實空間固廢種類和含量,包括食品殘渣、包裝塑料、服裝、個人用品及其他固廢等[18]。考慮到固廢產生的頻率及重量,選取米飯、雞肉、水餃、航天工作服、紙巾、濕巾及塑料組成的典型空間平均固廢模型,開展熱熔壓縮成型試驗。其中航天工作服、紙巾、濕巾為真實航天固廢,此類固廢回收于地面封閉模擬實驗,與空間真實儲存固廢垃圾無差異。食品類米飯、雞肉、水餃由航天食品營養科室提供。典型空間平均固廢模型組成如表1 所示。試驗前將所有固廢破碎成1 cm2大小的方塊,然后放置于105 ℃的干燥箱中干燥至恒重。使用磁攪拌器均勻攪拌 30 min,固廢混合均勻后,采取配水的方式控制混合固廢含水率分別為10%、20%、30%、40%,并利用密封袋進行密封保存。

表1 典型空間平均固廢模型組成Table 1 Typical types of space solid waste

2.2 試驗裝置

為研究空間固廢壓縮特性及成型效果,設計了固廢熱熔壓縮裝置,其組成如圖1 所示。固廢熱熔壓縮主體裝置由端蓋組件、壓縮腔、加熱板、活塞組件、減速腔組件、渦輪絲桿和伺服電機等構成。端蓋為壓縮腔上部固廢的進出口,尺寸為260 mm×260 mm×8 mm,壓縮腔為固廢熱熔壓縮的場所,內部尺寸為20 cm×20 cm×24.5 cm,加熱板溫度控制在室溫至250 ℃之間。

圖1 熱熔壓縮裝置簡圖Fig.1 Diagram of heat melt compaction device

固廢熱熔壓縮裝置工作時,壓縮腔四周的加熱組件對壓縮腔加熱至150 ～180 ℃,混合固廢逐漸熱熔,到達目標溫度時真空泵電磁閥打開,抽取熱熔過程產生的水汽混合物,并用聚四氟乙烯集氣袋收集氣體產物。當固廢混合物達到熱熔狀態后,伺服電機帶動渦輪絲桿將壓縮加熱腔下端的活塞向上運動,對腔內熱熔后的固廢物進行壓縮處理。壓縮過程中真空泵間歇性工作,以保證腔內的真空度。壓縮結束后,對腔體及腔內固體廢物采用風冷冷卻降溫,最終取出固廢壓縮塊。

2.3 試驗設計

為了得到形狀穩定、能安全存放的熱熔壓縮塊,本文研究熱熔溫度(150 ～180 ℃)、壓縮力(0 ～4 MPa)、含水率(10% ～40%)和塑料占比(5%～30%)等熱熔壓縮工藝對空間混合固廢壓縮成型特性以及氣體釋放規律的影響。其中對不同溫度和含水率下的熱熔壓縮試驗選擇平均固廢配比,而對不同塑料占比混合固廢的熱熔壓縮試驗相應增減其他種類固廢比例即可。

試驗流程:首先將混合均勻固廢裝入模擬試驗裝置,升溫到設定的熱熔溫度,加熱時間設置為2 h,使其處于完全熱熔狀態。然后壓桿以17 mm/min 的速率行進,當達到規定的擠壓位置時,保持壓力30 min,同時收集混合固廢熱熔壓縮全流程氣體。待壓縮塊冷卻后,從熱熔壓縮裝置中取出,觀察其表面形貌,同時測量其質量、直徑和厚度,計算壓縮率及回彈率。壓縮率ω計算見式(1):

式中,V1為壓縮后固廢體積(cm3),指固廢經過不同工藝條件后冷卻壓縮塊的體積;V2為初始固廢體積(cm3),指固廢在壓縮腔中未經壓縮的體積;固廢體積通過卷尺測量并計算得到。

在實驗室條件下(溫度25 ℃,相對濕度25%RH),測試了熱熔壓縮塊一個月后的回彈情況。回彈率θ的計算見式(2):

式中,壓縮塊初始厚度H0(cm)是指固廢從熱熔裝置中剛取出測量的厚度;壓縮塊最終厚度H1(cm)是指固廢從裝置中取出1 個月后的最終厚度。

試驗過程中采用了大氣預濃縮-氣相色譜質譜聯用儀(島津,GCMS-QP2020)對熱熔壓縮全流程的氣體污染物進行定性半定量分析。色譜柱型號為SH-Rtx-5 MS,載氣是氦氣。柱箱升溫程序為:首先在35 ℃下恒溫5 min,然后以3 ℃/min的升溫速率升溫至 140 ℃,接著以15 ℃/min 的升溫速率升到 230 ℃,并保溫 3 min;柱流量為1.0 mL/min。

3 結果與分析

3.1 熱熔溫度對固廢熱熔壓縮特性的影響

在熱熔壓縮工藝中,熱熔溫度是實現固廢熱熔壓縮的重要控制參數之一,對固廢壓縮成型效果起著決定性作用。通過改變固廢熱熔溫度條件,保持固廢一定的含水率以及固定固廢種類占比,研究混合空間固廢的壓縮特性、回彈性質與熱熔溫度、含水率、塑料占比間的關系。

圖2 為混合固廢在不同熱熔溫度下壓縮率與荷載的關系,混合固廢的組成為典型空間平均固廢模型,其含水率為30%,塑料占比為26.1%。根據擬合結果可以看出,壓縮率與荷載滿足指數函數的關系,在0 ～2 MPa 范圍內,隨著施加荷載的增加,每一級荷載下的壓縮率增長較為明顯;在2～4 MPa 范圍內,隨著荷載的增加,每一級荷載下的壓縮率增長比較緩慢。這是因為經過2 MPa荷載壓縮后,混合固廢的孔隙比明顯減小,垃圾各組分之間緊密排列,且各組分間的咬合及摩擦作用增大,壓縮率增長速率很慢。由于空間應用對裝置功耗限制較高,當熱熔溫度為180 ℃、壓強為2 MPa 時,壓縮塊的壓縮率已經較高(77%),無需再升高溫度和提升壓縮力。

圖2 不同熱熔溫度下壓縮率與荷載的關系Fig.2 Relationship between compaction ratio and load at different temperatures

圖3 顯示了典型空間平均固廢模型在不同熱熔溫度、不同荷載下形成的壓縮塊,在實驗室條件下靜態存儲1 個月后的回彈情況。由圖可知,不同條件下形成的固廢壓縮塊均發生了不同程度的回彈。隨著壓縮力的增加,壓縮塊的回彈率逐漸下降,當壓縮力超過2 MPa 時,回彈率下降趨勢逐漸趨于穩定。另外,隨著熱熔溫度的增加,回彈率也明顯降低,當熱熔壓縮溫度為180 ℃時,壓縮效果最好,回彈率的范圍可控制在4%～5.42%。這是因為成型溫度過低時,熱熔壓縮裝置內的物料溫度較低,物料中含有的纖維素、脂肪、淀粉、果膠等無法軟化,起不到粘結作用,不能致密成型。同時,由于混合固廢中塑料的百分比含量高達26%,在壓縮時固廢發生的變形主要是塑性變形,卸載之后變形無法恢復。

圖3 不同熱熔溫度下形成的壓縮塊存儲1 個月后的回彈率Fig.3 Rebound curve of blocks formed by heat-melt compaction process at different temperatures after one month

圖4 為空間混合固廢在壓縮力為2 MPa 時不同熱熔溫度下的氣體產物分布圖。混合固廢中檢測出了二氧化碳、乙醇、二硫化碳、戊烷、甲苯、對二甲苯、正己烷、甲烷、一氧化碳、丙烯、一氯甲烷、乙醛、正庚烷、甲醇和丙酮等20 種氣體物質。研究結果表明,溫度并不會顯著地改變所產生的有機物總量,但會改變所產生的單組分氣體濃度。隨著熱熔溫度增加,固廢結構受到強烈沖擊,引發固廢結構單元的橋鍵斷裂,蛋白質、脂肪等物質的側鏈和含氧官能團也迅速裂解,產生大量自由基碎片,導致醇類及酮類物質顯著增加。另外,混合固廢熱熔釋放的氣體濃度最高的為乙醇,且隨著加熱溫度的升高而增加,其濃度范圍在25 263 ～31 493 mg/L,而服裝或紙巾中纖維分解是乙醇產生的主要原因;同時食物在高溫下分解導致有害氣體二硫化碳及硫化氫生成,并在180 ℃時達到最大,其值分別為4497 mg/L、20 226 mg/L。因此,熱熔壓縮過程中產生的氣體無法直接排放至艙內,需另作處理。

圖4 不同熱熔溫度下氣體產物分布圖Fig.4 Distribution of gas products at different temperatures

3.2 含水率對固廢熱熔壓縮特性的影響

固廢熱熔壓縮處理時,固廢中含有的水分是不利的,由于巨大的潛熱,會增加熱熔過程的功耗;但是,固廢中適量的水分在成型時一方面能夠起到傳遞熱量和壓力的作用,另一方面,水分也是一種必不可少的自由基,當受力后水分與果膠質或糖類混合形成膠體,起到了粘結劑和潤滑劑的作用。因此,固廢熱熔狀態的含水率是一個在成型過程中需要嚴格控制的因素。

本文控制固廢的含水率在10%～40%范圍內,測試了熱熔溫度為180 ℃條件下,固廢熱熔壓縮成型狀況。圖5 為不同含水率下混合固廢壓縮率與荷載的關系,根據擬合結果可得,指數函數可以用來表達壓縮率與荷載的關系。從圖中還可以看出,不同含水率固廢壓縮塊的壓縮率均隨壓縮力增加而增加,其整體變化范圍為16%～81%。同時在固廢含水率為10%～40%的范圍內,壓縮塊壓縮率隨著含水率的升高,呈先上升后下降趨勢。當固廢含水率為20%時,壓縮率最大,接近81%。

圖5 不同含水率下總應變量與荷載的關系Fig.5 Relationship between total strain and load under different moisture contents

圖6 為不同含水率下形成的壓縮塊存儲1 月后的回彈情況。由圖可知,壓縮力對不同含水率下壓縮塊的穩定性有一定影響,回彈率隨壓縮力的增加而減小。同時發現含水率為20%的固廢經過熱熔壓縮處理后得到的壓縮塊形狀最為穩定,其回彈率在3.83%～4.68%之間。固廢含水率過多或過少都會影響壓縮塊的致密性。當含水率較少時,固廢由于過于干燥,出現回彈率增加的現象,這是由于原料粒子在致密成型時缺少水分潤濕,從而得不到充分延展,不利于緊密壓縮成型。當含水率過高時,成型反而困難,這是因為水分無法被壓縮,過多的水分會阻隔在固廢微粒之間,阻礙微粒的壓縮,導致顆粒間粘結力下降。

圖6 不同含水率下形成的壓縮塊存儲1 月后的回彈率Fig.6 Rebound curve of blocks formed by heat melt compaction under different moisture contents after one month

圖7 顯示了不同含水率混合固廢熱熔壓縮過程氣體釋放分布圖,從圖中可以看出,不同含水率混合固廢熱熔壓縮過程中釋放的氣體濃度較高的主要有乙醇、硫化氫、甲醇、丙酮及一氯甲烷等氣體。其中在含水率為20%時,乙醇濃度出現快速增長,且濃度最高31 493.51 mg/L;甲醇濃度隨含水率的增加呈現先升高后下降趨勢,在含水率為20%時最大值約為12 116.5 mg/L。而丙酮隨著含水率的增加釋放氣體濃度無明顯變化,一氯甲烷以及硫化氫的濃度受含水率的影響較大,均在含水率為40%出現極大值。

圖7 不同含水率下的氣體產物分布圖Fig.7 Distribution of gas products for different moisture contents

3.3 塑料占比對固廢熱熔壓縮特性的影響

在成型過程中,當塑料用量過少時則無法熔融粘結其他種類固廢并穩定成型;而當其過量時雖可改善壓縮塊的機械強度,但存在粘結壓縮腔內壁等問題。本文研究了不同塑料占比下固廢熱熔壓縮特性,試驗過程中以含水率為30%的典型固廢模型組成為基礎,適當調節塑料的含量,其余固廢按比例填充,滿足固廢質量總和為100%。從而獲取固廢熱熔壓縮處理成型的邊界條件。

圖8 為不同塑料占比混合固廢壓縮率與荷載的關系,熱熔溫度為180 ℃,混合固廢含水率為30%。采用指數關系擬合兩者關系,擬合度較高,同時隨著壓縮力的增加,不同塑料占比的混合固廢壓縮塊壓縮率也隨之增加。同時塑料含量的提高,導致壓縮塊的壓縮率也有所增加。當塑料占比低于30%時,不同塑料占比的固廢壓縮塊壓縮率比較接近。考慮到空間站低功耗要求,當塑料占比為30%,且壓縮力為1 MPa 時,壓縮塊的壓縮率已經較高,為80.15%。

圖8 不同塑料占比下壓縮率與荷載的關系Fig.8 Relationship between compaction ratio and load at different plastic contents

圖9 是不同塑料占比下形成的壓縮塊存儲1 月后的回彈情況。從圖中可知,不同塑料占比混合固廢熱熔壓縮塊在初始狀態均出現回彈性,塑料占比低于10%時,壓縮塊回彈率較高,同時隨著混合固廢中塑料占比的增加,壓縮塊回彈率逐漸減小。塑料占比為30%的固廢壓縮塊回彈率在2.57% ～3.47%。在一定溫度下,增加塑料比例有利于提高固廢壓縮塊穩定成型性。

圖9 不同塑料占比下形成的壓縮塊存儲1 月后的回彈率Fig.9 Rebound curve of blocks formed by heat melt compaction under different plastic contents after one month

塑料的用量對固廢熱熔壓縮成型工藝的成型效果起著重要影響作用,通過改變混合固廢塑料占比考察了塑料對熱熔壓縮氣體產物的影響。圖10 為不同塑料占比下的氣體產物分布圖,根據試驗結果可知,固廢熱熔壓縮過程中產生的主要氣體污染物包括乙醇、甲醇、一氯甲烷以及二硫化碳等。乙醇濃度隨塑料添加比例的增加逐漸減小,而甲醇釋放濃度隨塑料比例的增加而逐漸增加。一氯甲烷以及二硫化碳隨塑料比例則無明顯變化。另外,隨著塑料含量的增加,有機氣體總量呈下降趨勢,也即,廢物中塑料組分不是氣體中有機物的貢獻者,而是混合固廢中其他組分(如服裝以及食物等)。

圖10 不同塑料占比下的氣體產物分布圖Fig.10 Distribution of gas products for different plastic contents

4 結論

1)混合空間固廢熱熔壓縮率與壓縮荷載符合指數函數關系。在低能耗限制條件下,當熱熔溫度為180 ℃,壓縮力為2 MPa,且混合固廢含水率為20%,塑料占比為30%時,壓縮塊成型效果最佳,壓縮率約為81%。

2)溫度以及含水率對混合固廢熱熔壓縮過程釋放的氣體組成影響最大。熱熔溫度升高導致氣體產物中醇類及酮類物質顯著增加;有害氣體一氯甲烷以及硫化氫氣體隨含水率增加呈上升趨勢。而塑料占比的變化對氣體中有機物總量無太大影響。

3) 熱熔溫度、塑料占比、含水率是影響固廢熱熔壓縮安全穩定成型的主要因素。針對空間固廢熱熔壓縮成型困難且回彈嚴重等問題,需實現三者良好的協同控制及優化,最大程度地使壓縮、加熱和成型協同匹配,并識別和量化在不同條件下混合固廢熱熔壓縮過程中產生的氣體。這決定著熱熔壓縮技術的功耗水平以及空間適用性,是熱熔壓縮機轉向空間站工程應用的前提和基礎。