塑料對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民幸福生活貢獻(xiàn)巨大，但廢棄塑料急劇增加，處置不規(guī)范，缺乏有效的回收利用技術(shù)。從100多年前被發(fā)明至今，已累計(jì)生產(chǎn)了92億噸廢塑料，僅9%被回收再利用，12%被焚燒處理，79%被填埋或積累在自然環(huán)境中，長(zhǎng)期積累造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，而且浪費(fèi)資源，必須治理。廢棄塑料是放錯(cuò)地方的資源，在各種固廢中更具回收利用價(jià)值，更易回收利用。
廢棄塑料污染治理是我國(guó)的國(guó)家戰(zhàn)略，固廢資源循環(huán)利用是實(shí)現(xiàn)碳減排和碳中和的重要內(nèi)容。
近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰教授課題組在塑料循環(huán)升級(jí)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。研究人員設(shè)計(jì)出一種“氫呼吸”策略，在無(wú)需額外添加氫氣或溶劑的情況下，將高密度聚乙烯塑料轉(zhuǎn)化為高附加值的環(huán)狀烴類，為廢棄塑料的“人工碳循環(huán)”提供了新方法。
聚乙烯塑料是五大通用塑料之一，穩(wěn)定性很高，難以自然降解。通過焚燒或填埋處理廢棄的聚乙烯塑料會(huì)造成大氣、土壤和水源污染?？紤]到聚乙烯和石油具有相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)與組成，曾杰等人大膽猜想——能否直接把聚乙烯當(dāng)成一種“固體石油”，借鑒石油化工的技術(shù)，用以合成石油的下游化學(xué)產(chǎn)品？
此次研究中，研究人員首先把目光聚焦到石油加工的一個(gè)重要過程——加氫裂化，它可以將長(zhǎng)鏈段的重質(zhì)油裂解，從而得到短鏈的油品，如汽油、煤油和柴油等。研究人員參照該方法，以聚乙烯為原料進(jìn)行加氫裂化實(shí)驗(yàn)，并順利轉(zhuǎn)化為汽油餾分的鏈狀烴產(chǎn)品，進(jìn)一步證實(shí)聚乙烯就相當(dāng)于“固體石油”。
“正如‘加氫裂化’字面上的意思，這個(gè)過程需要消耗大量氫氣，而氫氣本身非常昂貴。此外，現(xiàn)有的制氫工藝還會(huì)造成碳排放?！痹苷f，進(jìn)一步地，他們從改進(jìn)工藝著手，試圖在不使用氫氣的條件下，實(shí)現(xiàn)廢棄聚乙烯塑料的循環(huán)升級(jí)。
催化重整是石油加工過程中另一種重要的手段，可以將輕汽油餾分轉(zhuǎn)變成富含芳烴的高辛烷值汽油，或者苯、甲苯以及二甲苯等化工原料，并產(chǎn)生氫氣。
催化重整過程中產(chǎn)生氫氣，加氫裂化過程中消耗氫氣。如果將這兩個(gè)過程串聯(lián)并應(yīng)用于聚乙烯降解，就相當(dāng)于一邊讓塑料成環(huán)脫氫變成環(huán)狀烴“呼”出氫氣，一邊讓塑料“吸”入氫氣裂解變成短鏈。
曾杰介紹，“這一策略利用聚乙烯自身的氫原子替代外加的氫氣，不僅降低成本，而且節(jié)能減排，從而實(shí)現(xiàn)氫元素的‘自產(chǎn)自銷’”。最重要的是，在這個(gè)過程中還可以打破聚乙烯中穩(wěn)定的碳骨架，使分子鏈段變短，而且得到的產(chǎn)物是環(huán)狀烴，相比鏈狀烴具有更高的價(jià)值。
要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)“氫呼吸”策略，尋找一種合適的催化劑是關(guān)鍵。曾杰提出“酸性位點(diǎn)可以促進(jìn)烯烴環(huán)化成環(huán)狀烴”。研究人員在原有的金屬釕催化劑上引入了具有酸性位點(diǎn)的分子篩作為載體。他們發(fā)現(xiàn)，這種新型催化劑可以使聚乙烯順利發(fā)生脫氫環(huán)化過程，并釋放出氫氣，順利引發(fā)后續(xù)的加氫裂化過程。
在分子篩負(fù)載的釕催化劑作用下，廢棄聚乙烯塑料逐漸被降解。最終，經(jīng)過24小時(shí)的催化反應(yīng)，高密度聚乙烯塑料的轉(zhuǎn)化率達(dá)到69.6%，其中主要降解產(chǎn)物是液體環(huán)狀烴。環(huán)狀烴是高附加值的化工品之一，可以作為合成藥物、染料、樹脂和纖維的原材料，用途廣泛。
●回收利用：2023年國(guó)內(nèi)廢塑料回收再生量達(dá)1800萬(wàn)噸，回收率約30%，回收利用產(chǎn)值超1000億元。
● 焚燒：2023年全國(guó)城市生活垃圾清運(yùn)量達(dá)2.45億噸，廢棄塑料焚燒量超1600萬(wàn)噸，約占廢棄塑料總量31%。
●填埋及丟棄：近2000萬(wàn)噸廢棄塑料被填埋或任意丟棄，大量積累在自然環(huán)造成嚴(yán)重“白色污染”。
當(dāng)前約30%的回收利用率還不高，需加強(qiáng)政策支持和科技投入。
全方位全鏈條防治廢棄塑料污染，將有力助推碳減排碳中和，發(fā)展綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)。其原則是減量化、再利用、資源化。并采用更加資源高效的辦法，從合成-加工-應(yīng)用-廢棄物處置多個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)塑料進(jìn)行全生命周期管理，提高使用效率，減少對(duì)環(huán)境的影響。
● 發(fā)展節(jié)能減排聚合技術(shù)；
● 合成高性能、長(zhǎng)壽命、易回收的高分子材料，減少?gòu)U棄量；
● 發(fā)展PBAT、PLA、PPC等生物可降解高分子及前驅(qū)體的先進(jìn)合成技術(shù)；
● 發(fā)展非石油路線環(huán)境友好高分子材料，如PVA等；
● 發(fā)展規(guī)?；蒙镔|(zhì)碳(纖維素、甲殼素、淀粉等)的化工技術(shù)；
● 發(fā)展高效化學(xué)裂解固定廢棄塑料技術(shù)。
生物可降解塑料值得行業(yè)特別關(guān)注，這種材料在一定條件和時(shí)間內(nèi)被微生物分解為二氧化碳和水，應(yīng)用于需填埋處理的一次性包裝材料。生物可降解塑料也面臨著幾個(gè)挑戰(zhàn)，一是如何實(shí)現(xiàn)可控降解，即使用時(shí)不降解，廢棄后完全降解；二是如何降低成本，目前它的成本為普通塑料的2-3倍以上；三是如何改進(jìn)加工、力學(xué)性能。對(duì)于生物可降解塑料，應(yīng)根據(jù)需求合理規(guī)劃，避免投資過熱和產(chǎn)能過剩。
● 發(fā)展先進(jìn)塑料加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)制品高性能化、長(zhǎng)壽命、輕量化，減少?gòu)U棄量；
● 設(shè)計(jì)、加工可多次循環(huán)使用的制品；
● 優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)同質(zhì)異相增強(qiáng)，易回收利用；
● 發(fā)展生物可降解塑料和環(huán)境友好高分子材料的先進(jìn)加工技術(shù)；
● 發(fā)展高值高效利用生物質(zhì)材料加工技術(shù)；
● 發(fā)展高值高效回收利用廢棄塑料的新裝備新技術(shù)。
塑料在結(jié)構(gòu)件功能件的應(yīng)用占塑料制品總量60%以上，實(shí)現(xiàn)了高性能、多功能、長(zhǎng)壽命。但其存在的問題是難于分類，難于分離，難于回收利用。我們要提倡循環(huán)使用，物盡其用，為原生高分子材料和制品開辟合法、合適的應(yīng)用途徑，空如農(nóng)田水利、道路材料、室外設(shè)施等。
塑料在包裝的應(yīng)用占塑料制品總量25%以上，其使用期較短，存在的問題是廢棄后難于收集，對(duì)環(huán)境影響大。應(yīng)根據(jù)包裝應(yīng)用場(chǎng)景，選擇合適的包裝材料；減少過度包裝，合理適度使用；需填埋的一次性包裝采用生物可降解塑料；方便收集的包裝采用熱塑性塑料，重復(fù)使用并回收利用；危廢或沒有回收價(jià)值的包裝選用無(wú)有害元素塑料，保證安全焚燒。
要做到高效合理分類，應(yīng)回收盡回收。
● 可回收利用：大力發(fā)展環(huán)境友好回收利用技術(shù)，尤其是在高分子態(tài)回收利用技術(shù)，需大力發(fā)展高值高效回收利用廢棄塑料的新裝備新技術(shù)。
● 優(yōu)先發(fā)展環(huán)境友好的物理回收利用技術(shù)，完善單材廢塑料全回收再利用技術(shù)，突破混雜廢塑料回收加工難題；
● 發(fā)展清潔高效規(guī)?；瘜W(xué)裂解回收方法；
● 廚余濕垃圾限用生物降解塑料包裝，實(shí)現(xiàn)安全填埋；
● 危廢及醫(yī)療塑料用焚燒處理，發(fā)展先進(jìn)清潔環(huán)保焚燒裝備和工藝以實(shí)現(xiàn)安全焚燒和能量回收，鼓勵(lì)使用無(wú)害聚烯烴材料。
