A Strategy for Upcycling Municipal Solid Waste : A Case Study of Waste Teabag Pyrolysis under CO₂ Atmosphere
- 주제(키워드) CO₂ utilization , Tea waste , Thermochemical process , Waste treatment , Waste valorization
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 안병민
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000032506
- 본문언어 영어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
Municipal solid waste (MSW) is comprised of various materials such as organic (kitchen waste, garden waste), paper, textiles, plastics, glass and metals. MSW amount will increase to 3.4 billion tons by 2025. They are usually disposed of landfill and incineration and only small portion of them are recycled. Landfill and incineration can cause human health problems and environment problems. Pyrolysis is an effective method for both waste valorization and treatment. Herein, carbon dioxide-assisted pyrolysis was conducted for the valorization and treatment of everyday waste, namely used teabags that can be representative of MSW. The effects of pyrolysis temperature and medium (N₂ and CO₂) on the composition and yield of the pyrolytic products were explored. The changes in the pyrolysis temperature and pyrolysis medium affected the compositions and yields of pyrolytic products. As the temperature increased, the yield of non-condensable gases increased and the yield of char decreased under both N₂ and CO₂ atmosphere. CO₂ had a positive effect on the pyrolytic products. In pyrolytic gases, the yield of non-condensable gases was increased, especially hydrogen (H₂). Also CO₂ atmosphere hindered the formation of environmental pollutants such as phenolic compounds, benzene derivatives, and polycyclic aromatic hydrocarbons in pyrolytic oil. Not only that, the oil quality was increased because CO₂ atmosphere decreased oxygenated compounds formation. The char produced from waste teabags via CO₂-assisted pyrolysis had a higher heating value (26.8 MJ kg−1) comparable to that of coal. Using the CO₂ as reaction medium has positive effects in the environment perspective. CO₂ is a greenhouse gas causing global warming and climate change. Compared to the N₂-assisted pyrolysis, when CO₂ is used as a reaction medium, additional gas supply for pyrolysis is not required if CO₂ gas contained in non-condensable compounds is reused. Also, it can reduce the CO₂ emissions after pyrolysis. When CO₂ contained in pyrolytic gases reuse, pyrolysis of waste teabags can reduce 5.5 million tons of CO₂ comparing incineration of waste teabag. If CO₂ gas is reused and the pyrolytic products are used to produce energy, energy independent waste disposal systems can be originated without CO₂ emissions. This study demonstrates the effectiveness of CO₂ utilization in pyrolysis for valorization of everyday waste and suggests the CO₂-assisted pyrolysis as the disposal process of MSW for upcylcing.
more초록/요약
도시 고형 폐기물은 유기물, 종이, 섬유, 플라스틱, 유리, 금속과 같은 다양한 물질로 구성된다. 도시 고형 폐기물의 양은 2025년까지 34억 톤으로 증가할 것으로 예측된다. 이 폐기물들은 보통 매립과 소각의 형식으로 처리가 되고 폐기물의 일부분만 재활용된다. 매립과 소각은 인간 건강 문제와 환경문제를 야기시킨다. 열분해는 폐기물을 가치화하고 처리하는 효과적인 방법이다. 이 논문에서는 도시 고형 폐기물의 대표 폐기물로 여겨질 수 있는 폐티백과 같은 일반폐기물의 처리와 가치화를 위해 이산화탄소를 이용한 열분해를 진행했다. 열분해 온도와 대기 종류 (질소와 이산화탄소)가 열분해 생성물의 조성과 수율에 미치는 영향을 확인했다. 열분해 온도와 대기의 변화는 열분해 생성물의 조성과 수율에 영향을 미친다. 온도가 증가함에 따라 질소, 이산화탄소 대기에서 모두 비응축성 가스의 수율은 증가하고 차 (char)의 수율은 감소한다. 이산화탄소는 열분해 생성물에 긍정적인 효과를 보여주었다. 열분해 가스에서 비응축성 가스의 수율이 증가했는데 특히 수소의 수율이 눈에 띄게 증가했다. 또한 이산화탄소 대기는 열분해 오일에서 페놀류, 벤젠 유도체, PAHs와 같은 환경오염물질의 생성을 막았다. 그뿐만 아니라 이산화탄소 대기가 산소물질의 형성을 감소시켰기 때문에 오일의 질이 상승했다. 이산화탄소 대기를 이용한 폐티백의 열분해로 만들어진 차 (char)는 석탄보다 높은 고위발열량 (26.8 MJ kg-1)을 가졌다. 이산화탄소를 열분해 대기로 사용하는 것은 환경관점에서 볼 때 긍정적인 효과를 가진다. 이산화탄소는 온실가스로 지구온난화와 기후변화의 원인이 된다. 질소 대기를 이용한 열분해와 비교하여 이산화탄소를 반응대기로 이용할 경우 비응축성물질에 들어있는 이산화탄소 가스를 재사용하게 되면 열분해 실험을 위한 추가적인 가스 공급이 필요하지 않게 된다. 또한 열분해 반응 후 이산화탄소의 배출을 줄일 수 있다. 열분해 가스에 포함된 이산화탄소가 재사용될 때 폐티백의 열분해는 폐티백의 소각과 비교하여 550만 톤의 이산화탄소를 줄일 수 있다. 만약 이산화탄소 가스가 재사용되고 열분해 생성물이 에너지를 생산하기 위해 사용된다면 이산화탄소 배출이 없는 에너지 자립 폐기물 처리 시스템을 구축할 수 있다. 이 연구는 일반폐기물의 가치화를 위한 열분해에 이산화탄소 활용의 효과를 입증하고 도시 고형 폐기물의 업사이클링을 위한 처리 방법으로 이산화탄소를 이용한 열분해를 제안한다.
more목차
Ⅰ. Introduction 1
1.1. Background 1
1.2. Thermal treatment method 3
1.3. Objectives of the study 6
Ⅱ. Experimental Section 7
2.1. Feedstock preparation and analysis 7
2.2. Pyrolysis reactor setup 9
2.3. Pyrolytic product analysis 11
Ⅲ. Results and Discussion 13
3.1. Analysis of waste teabag properties 13
3.2. Non-condensable products in CO₂ and N₂ 17
3.3. Condensable products in CO₂ and N₂ 21
3.4. Solid product (char) in CO₂ and N₂ 25
3.5. Sustainable disposal of waste teabag via pyrolysis 28
Ⅳ. Conclusions 31
Ⅴ. References 33
Appendix 45
A.1. Proximate analysis 45
A.2. Composition analysis 45
A.3. Waste teabag pyrolysis 46
A.4. GC/MS conditions for condensable compounds analysis 47
A.5. Micro GC conditions for non-condensable compounds analysis 48
