天津大学纪娜/张胜波ACS Catal. 综述：混合塑料催化回收升级的进展与挑战

第一作者：石雅雯，刁新勇

通讯作者：纪娜，张胜波

通讯单位：天津大学

论文doi：https://doi.org/10.1021/acscatal.4c06344

近日，天津大学纪娜教授、张胜波副教授在国际知名期刊ACS Catal.上发表了题为“Advances and Challenges for Catalytic Recycling and Upgrading of Real-World Mixed Plastic Waste”的综述文章。该文综述了通过热催化、光催化/光热催化和串联化学-生物催化等方法，将混合塑料回收并升级为单体或增值化学品的进展。重点讨论了每种方法中高效催化剂的构建、反应路径的理解、反应体系的设计以及实际应用性。目标是阐明催化机制和工艺设计原理，为提升催化效率和处理能力的混合塑料废料新技术的开发、整合或优化提供指导。此外，通过总结技术经济分析和生命周期评估研究，全面评估了混合塑料处理的经济可行性和环境影响。最后，还描述了将现实世界的混合塑料废弃物转化为增值产品的工业规模转化所面临的技术挑战和未来的发展方向。

塑料具有多样的单体和键合类型，消费后的塑料废弃物通常是多种塑料类型或多层包装的物理混合物，这使得混合塑料的后期分拣变得复杂且成本高昂。通过化学催化回收或升级混合塑料为有价值的产品，无需事先分类，可以显著提高废塑料的回收和利用率，促进基础设施建设，并降低人工成本。然而，混合塑料的复杂性，特别是某些特殊塑料产品（如聚氯乙烯PVC），在反应过程中容易使催化剂中毒，这对催化剂选择和获得高纯度产品提出了挑战。因此，深入理解混合塑料回收和升级过程中的催化机制和工艺设计对于长期废塑料管理至关重要。尽管研究者对该领域的兴趣日益增长，但关于混合塑料转化的综合性综述仍然稀缺。该综述旨在填补这一空白，提供有关混合塑料回收和升级的催化机制及实际策略的见解。

热催化是最广泛应用于塑料化学回收的方法，因其对原料的适应性强且具有多样性。通过在惰性气氛中加热塑料废物，可以使聚合物结构发生交联或解聚，从而降低材料的耐久性和完整性。在热解过程中，塑料在500至800 ℃的高温下分解为小分子化合物，这些化合物可以进一步加工成有价值的化学品。低温热催化方法（通常在200至400 ℃之间），如催化裂解和加氢裂解，能够实现塑料的分解，从而降低能耗。然而，这些方法在催化剂选择和反应条件控制方面面临挑战，迫切需要进一步研究和优化。

与热催化升级不同，塑料的光催化转化不需要高温或高压。光生成的电子和空穴可以在温和条件下驱动各种化学反应。通过调整光催化剂的带结构，光激发载流子可以激活特定的化学键，从而实现高产品选择性。然而，光催化降解塑料面临一些挑战，如太阳光谱吸收不足和光生载流子的复合限制，这些因素阻碍了其工业化。目前，光催化塑料升级和回收的低转化效率仍未能满足实际需求。

太阳能驱动的光热催化具有高能量利用效率和广泛的应用领域，在可持续回收方面显示出巨大潜力。光热催化剂具有强烈的阳光吸收能力和增强的催化活性，这可以提高废塑料回收的能效。

混合塑料处理的工业化不仅仅是简化实验程序，更重要的是确保该过程的经济可行性。盈利性仍然是决定催化过程工业化成功与否的关键标准。虽然将混合塑料转化为更高附加值的产品对于盈利性至关重要，但仅此不足以作为唯一标准。为了确保长期的经济效益，必须考虑多种因素，如劳动力成本、设备维护与折旧、原材料价格波动、能源消耗效率和环境合规成本。

技术经济分析（TEA）是全面评估和优化这些因素的关键工具。它评估了化学处理的成本，包括原材料、能源消耗和运营成本。通过分析不同化学过程的效率，TEA帮助确定最具成本效益和能源效率的方法，从而促进经济和环境的可持续发展。此外，TEA还提供了从实验室到工业规模扩展过程的见解，确保混合塑料处理技术的商业可行性。TEA的主要分析方法包括过程模拟、成本分析、收入分析、风险分析、关键参数分析和生命周期评估。常用的化学过程评估方法包括过程模拟、成本分析、收入分析和生命周期评估。首先，使用像Aspen或CAD这样的软件对化学过程进行建模和模拟，然后评估其总成本。总成本包括固定资产投资、设备折旧、维护、劳动力和化学品成本。接下来，根据成本分析和市场价格进行收入分析，以评估项目的盈利性。最后，生命周期评估（LCA）评估化学过程在其整个生命周期中的环境影响、资源消耗和总体经济效益，为决策提供全面的基础。

通过使用先进的原位表征技术和理论计算，深入研究混合塑料化学回收与升级过程中的反应机制。探索不同塑料成分之间的相互作用及其降解路径，利用一种塑料的功能基团或元素促进另一种塑料的降解或促进自催化过程。

根据不同的反应体系或技术设计和优化催化剂。高活性催化剂必须能够抵抗外部干扰。例如，PVC中的氯元素会毒化催化剂，生物催化剂通常需要严格的条件，导致其不适用于高温、高压环境或强碱性或酸性条件。其次，催化剂在混合塑料的连续处理过程中必须保持高稳定性，为工业化回收和升级奠定基础。扩大先进回收技术的规模是解决混合塑料废物问题的紧迫挑战。高温处理混合塑料可以有效降解它们，但也可能产生温室气体，如CO₂和CO。这些气体加剧全球变暖，并对环境产生长期负面影响。因此，有效的废气处理措施至关重要。

提高实际混合塑料废物的处理能力并扩大可处理的塑料种类。未来的研究应通过涵盖更多种类的塑料废料，如PS、PE、PVC和PLA，来拓宽该领域的研究范围。目前，混合塑料的化学回收和升级仅限于实验室规模（主要是克或毫克级），且仅有少数几种塑料（PET、PE、PVC、PP、PS）得到研究。这对于快速增加的塑料废物量来说只是九牛一毛，严重阻碍了这些技术在实际应用中处理具有复杂组成的混合塑料废物。未来的研究应着重于开发稳健的大规模化学回收工艺，以提高废塑料的处理能力，并扩大可处理的混合塑料种类，包括不同的聚合物类型、添加剂和污染物。

降低混合塑料的处理成本。目前的研究表明，混合塑料的回收和升级附加值较低，且处理条件严苛、能耗高。为了解决这一问题，必须在研究初期就考虑材料性能、技术经济分析和升级产品的市场规模等因素。利用生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）等工具，可以全面评估升级方法的经济和环境成本，同时降低处理成本，提升回收产品的市场价值。