金 璠

(北京科技大學后勤管理處，北京 100083)

塑料自上世紀初問世以來，由于其獨特的性質，得到了廣泛應用。據(jù)統(tǒng)計，到2019年人類已經(jīng)生產(chǎn)的塑料制品量超過了90億噸，而且大部分已成為廢棄物進入自然環(huán)境或垃圾填埋場[1]。僅2019年，人類年使用塑料量已達到4.6億噸，預計到2060年人類年使用塑料量將達到12.3億噸，相當于2019年的三倍[2]。家庭中大量廢棄塑料制品成為了生活垃圾，存在于城市生活垃圾中，這些廢棄的塑料垃圾在環(huán)境中難于自然降解，形成了眾所周知的“白色污染”，對環(huán)境造成了嚴重危害。本文從廢棄塑料的處理和資源化利用角度，介紹國內外利用廢棄塑料生產(chǎn)燃料的技術，提高塑料垃圾處理的資源化高值利用水平。

1 塑料垃圾的危害和處理處置方法

OECD報道，2019年一年的時間就有2200萬噸塑料泄漏到環(huán)境中。廢塑料分解產(chǎn)生和釋放的微米和納米級微塑料會侵入作物、動物甚至海洋生物，最終通過食物鏈進入人體，對生態(tài)環(huán)境及人類健康帶來巨大威脅[1-5]。

廢塑料的傳統(tǒng)處理方法包括與生活垃圾等一起填埋、機械回收、與其他垃圾共焚燒等方法[3]，但是采用這些方法用于處理廢塑料存在許多弊端，具體總結如表1所示。

表1 廢塑料傳統(tǒng)處理方法特點和存在問題Table 1 Characteristics and problems of traditional treatment methods of waste plastics

表2 廢塑料熱化學方法處理技術特點Table 2 Technical characteristics of thermochemical treatment of waste plastics

表1可見，采用傳統(tǒng)的廢塑料處理方法在處理回收過程中耗費能源，也有可能對環(huán)境造成二次污染，同時資源化利用率非常低。因此，隨著技術進步，廢塑料熱化學裂解法由于可以獲得燃料及其他高價值產(chǎn)物而越來越受到重視。熱化學裂解工藝主要包括熱裂解法、催化裂解法、熱裂解-催化改質法、催化熱解-催化改質法等。

2 幾種主要的廢塑料資源化處理利用技術

在眾多的廢塑料處理方式中，以熱裂解為代表的化學法資源化處理回收技術可將高分子聚合物轉變?yōu)樾》肿訂误w或低聚物等高附加值產(chǎn)品，是目前廢塑料資源化處理回收技術研究的熱點領域。根據(jù)廢塑料處理回收產(chǎn)物的不同，可將廢塑料回收方式分為閉環(huán)回收、機械回收、能量回收、化學回收等類型[5-7]。閉環(huán)回收是將未經(jīng)使用的聚合物擠壓引入生產(chǎn)循環(huán)，生成類似產(chǎn)品的過程；機械回收則是對使用后的塑料進行機械加工、熱加工等處理，將其轉化為品質較低的二次塑料。能量回收是指將廢塑料焚燒產(chǎn)生熱能或直接作為燃料加以利用。化學回收則是通過熱化學、生化工藝等手段將廢塑料解聚為高品位燃料、化學品等小分子高附加值產(chǎn)物的過程。與其他三種回收方法相比，化學回收能夠制備汽柴油、氣體燃料、活性炭等燃料和高附加值化學品等，因此具有更大的商業(yè)應用價值。本文重點介紹幾種化學回收廢塑料的資源化處理技術。

2.1 廢塑料熱裂解油化技術

熱解是有機物分解的一種反應，發(fā)生在缺氧的條件下，因此與燃燒不同，燃燒是在有足夠氧氣的情況下才能發(fā)生，熱解過程中有機物會發(fā)生化學分解產(chǎn)生固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)產(chǎn)物，包括熱解油、可燃氣、生物炭等。

采用熱裂解廢塑料制備油是廢塑料處理的一種新技術。廢塑料熱解可以生產(chǎn)原油，生產(chǎn)的原油具有類似于柴油和汽油的性質，此外還有天然氣和炭等副產(chǎn)物，但是一般來說，熱解油價值最高。進行廢塑料熱解的溫度范圍通常為400～500 ℃。據(jù)研究PVC廢塑料在500 ℃下進行熱解，油產(chǎn)量相對比較低，產(chǎn)氣量較大；采用廢棄HDPE作為原料熱解制備油，在溫度為450 ℃時產(chǎn)油效果最好，如果增加溫度到和降低溫度都會導致產(chǎn)油率下降；針對混合廢塑料的熱解研究表明，熱解產(chǎn)生的油具備良好的性質，具有商業(yè)應用的價值[8]。

2.2 廢塑料熱裂解制備氣體燃料技術

如前所述，廢塑料熱解不僅可以產(chǎn)生原油，同時也會產(chǎn)生天然氣，而且在很多情況下，氣體燃料產(chǎn)率更高，因此廢塑料熱解生產(chǎn)合成可燃氣的技術已經(jīng)逐漸發(fā)展起來，進一步地可以將合成可燃氣通過深度處理制備甲烷、氫氣等產(chǎn)品[6]。根據(jù)Prabir等[7]的研究，熱解過程中可燃氣產(chǎn)量最大的最佳條件是高溫和反應器中較長的停留時間。

2.3 廢塑料熱裂解制備活性炭技術

廢塑料熱解的固態(tài)產(chǎn)品主要是碳，通過活化工程可以制備活性炭。針對廢塑料制備活性炭，段元東等[9]采用廢棄電腦中電路板的廢塑料作為原料，以氫氧化鉀作為活化劑，進行了活性炭制備工藝條件優(yōu)化實驗，研究結果表明，當熱解溫度為500 ℃、浸漬比為3∶1、活化溫度為700 ℃且活化時間為90 min時，制備所得活性炭性能最佳。

2.4 廢塑料熱裂解制備高附加值產(chǎn)品技術

廢塑料的資源化高值化利用技術未來發(fā)展的方向，也是最有市場競爭力和符合綠色環(huán)保理念的技術路線。如可將廢塑料通過不同工藝技術轉化為芳烴等高值化的化工產(chǎn)品，范思強等在其綜述論文中介紹了通過多相催化劑的低溫催化轉化方法可將不同類別的聚乙烯轉為烷基芳烴類化合物，可以采用催化裂解技術獎聚丙烯(PP)轉化為甲基芳烴，利用生物技術對廢聚對苯二甲酸乙二醇酯塑料材料進行高附加值轉化，生產(chǎn)棓酸、焦棓酸、鄰苯二酚、黏康酸、香草酸和乙醇酸等更具經(jīng)濟價值的化學品。此外還可以針對廢塑料特性，采用不同的技術生產(chǎn)各種高附加值產(chǎn)品，包括碳納米管、石墨烯片、多孔吸附材料、環(huán)氧樹脂復合基體添加劑、新型納米材料-熒光碳點、功能化磁性富勒烯納米復合材料、高價值脂肪酸或醇等產(chǎn)品。

清華大學李景虹院士[10]提出了采用化學循環(huán)技術處理廢舊塑料垃圾途徑，認為采用化學循環(huán)法處理廢塑料的技術，不僅可以解決物理回收方法消納不掉的廢塑料，而且可以提高廢塑料的資源綜合利用率，實現(xiàn)產(chǎn)品高值化的利用；同時通過產(chǎn)品替代也有助于減少原生料生產(chǎn)過程中需要的化石原料，避免了廢塑料焚燒過程中產(chǎn)生的大量溫室氣體排放，可以系統(tǒng)性地降低塑料產(chǎn)品生產(chǎn)使用過程中全生命周期的碳排放量。

3 廢塑料熱裂解高值化利用技術面臨的挑戰(zhàn)

由于傳統(tǒng)處理廢塑料方法需要消耗不可再生的化石燃料，并產(chǎn)生各種污染物。因此，廢塑料的資源化高值化利用具有環(huán)境友好、經(jīng)濟和低碳的特點，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。但由于技術發(fā)展的限制，廢塑料高值化利用仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)。廢塑料通過催化裂解技術生產(chǎn)燃料油作為可再生替代燃料，生產(chǎn)的柴油如果用于柴油發(fā)動機，需要對柴油粘度進行調控，因為柴油粘度太小或太大都會對發(fā)動機的運轉效率產(chǎn)生不利影響。盡管廢塑料裂解柴油餾分的粘度與煉油工藝得到的柴油粘度相近，生產(chǎn)的柴油同樣具有較好的燃料特性，但是用于替代傳統(tǒng)燃料需要經(jīng)過復雜的脫除雜質提高品質的處理過程以改善油品質量，還有待進一步提高技術水平、降低生產(chǎn)和運行成本。

廢塑料裂解生產(chǎn)低碳烯烴、輕質燃料油和芳烴的工藝過程還存在一些技術難題。在各種需要處理的廢塑料中，PVC中含有Cl原子，而PET中含有氧原子，大多數(shù)情況下塑料生產(chǎn)過程中也會加入含有硫、氮、氧、氯等元素的添加劑，使得廢塑料在裂解處理產(chǎn)物中含有許多不需要的雜原子，這些元素導致產(chǎn)生的氣體中會含有CO，CO2，H2S，HCN，HCl等氣體，對于生產(chǎn)低碳烯烴產(chǎn)品的質量會產(chǎn)生影響；氯化氫和硫化氫等酸性氣體的產(chǎn)生還會對設備的金屬部分產(chǎn)生嚴重的腐蝕作用，影響整個設備系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。廢塑料熱裂解產(chǎn)生的液體產(chǎn)物中會出現(xiàn)氧化物和氮化物，含有這些元素的化合物影響油料燃燒的氧化安定性及燃燒效率，同時也會對使用的發(fā)動機等設備產(chǎn)生腐蝕作用。這些技術問題對廢塑料裂解生產(chǎn)低碳烯烴、可替代燃料油等資源化產(chǎn)品技術的應用產(chǎn)生很大影響，需要加強廢塑料裂解技術的研究，特別是高效催化劑的研發(fā)，不斷提高廢塑料回收利用的技術水平和經(jīng)濟效益。

4 結 語

盡管我國在廢塑料資源化技術研究領域在20 世紀90 年代就已開始，但我國廢塑料資源化技術的發(fā)展總體仍處在設備工藝的集成度低、產(chǎn)品設備相對簡陋、工藝技術水平不高，高值化產(chǎn)品技術還沒有形成規(guī)?；乃健Ｄ壳?，廢塑料催化裂解技術仍存在處理能力低、原料組成復雜、投資及操作費用高等諸多挑戰(zhàn)。廢塑料生產(chǎn)高價值產(chǎn)品也是一個非常具有發(fā)展前景的領域，需要通過技術進步、政策支持等加快推進。從綜合利用和溫室氣體減排角度看，化學循環(huán)技術處理廢舊塑料垃圾具有廣泛的前景，但是在頂層設計上、廢塑料化學循環(huán)生產(chǎn)產(chǎn)品的管理和應用、不斷調整和優(yōu)化廢舊塑料的分類分質回收系統(tǒng)、鼓勵和推動工程示范應用、構建廢舊塑料化學循環(huán)的產(chǎn)學研平臺、全產(chǎn)業(yè)鏈的創(chuàng)新體系等還需要持續(xù)發(fā)力?？傊?，廢舊塑料的高效回收利用對于減少塑料垃圾污染、降低溫室氣體排放、保護環(huán)境和人民健康以及社會可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。