膜基纳米纯化技术：基于尺寸排阻的塑料回收新策略

《Communications Chemistry》：Membrane-based nanopurification for plastic recycling

本研究针对塑料回收中添加剂难以去除的瓶颈，提出了一种创新的膜基纳米过滤透析方法。通过利用聚合物分子与添加剂之间的分子量差异（通常相差3个数量级），该技术首次将尺寸排阻原理应用于塑料纯化。实验以聚苯乙烯（PS）和六溴环十二烷（HBCD）为模型体系，采用陶瓷超滤膜（孔径1–10 nm）实现超过90%的HBCD去除率，同时选择性保留聚合物链。该方法可拓展至PE、PP、PVC、PU等主流塑料，有望将全球塑料回收率从9%提升至68.5%，为循环经济提供关键技术支撑。

　　

塑料已成为现代社会的基石，但其可持续性正面临严峻挑战。自1950年以来，全球塑料产量从200万吨飙升至2021年的4.35亿吨，然而仅有约9%的塑料被回收利用。更令人担忧的是，经济合作与发展组织（OECD）预测，到2040年，塑料生产、使用和废弃量将比2020年增加70%，而管理不当的塑料废弃物将增长47%。这种线性经济模式不仅造成资源浪费，还导致大量塑料泄漏至环境中，引发持久性污染。

当前塑料回收技术存在明显局限性。机械回收无法去除嵌入聚合物基质中的添加剂，溶解/沉淀法受限于添加剂与聚合物的相容性，而化学回收（如热解、溶剂分解）对杂质高度敏感，痕量卤素或重金属即可毒化催化剂。更关键的是，塑料制品中可能含有超过13,000种化学物质，其中3,200余种具有健康风险。添加剂可占塑料成品重量的70%，包括功能助剂、着色剂、填料等。这些添加剂在机械回收过程中会残留于再生塑料中，限制其在高价值领域的应用。

为解决这一难题，来自加拿大Pyrowave公司（现更名为Emterra Innovations）和蒙特利尔理工大学的Jean-Philippe Laviolette、Ali Eslami与Jocelyn Doucet团队在《Communications Chemistry》发表研究，提出了一种基于尺寸排阻原理的膜基纳米纯化新方法。该技术的核心创新在于利用聚合物分子与添加剂之间的巨大分子量差异：常见添加剂分子量通常为200–2,000 g/mol，而聚合物分子量普遍高于10,000 g/mol，甚至可达百万级别。这种数量级差异为膜分离技术提供了理想的选择性分离窗口。

研究团队设计了一套完整的纳米过滤透析实验装置，其核心为氧化锆（ZrO₂）或氧化钛（TiO₂）陶瓷管式超滤膜模块，孔径范围为1–10 nm。实验以聚苯乙烯（PS）和阻燃剂六溴环十二烷（HBCD）为模型体系，通过系统调控跨膜压力（TMP）、聚合物质量分数和膜孔径等参数，评估纯化效率与聚合物保留率。关键技术创新点包括：采用示差折光检测（RI）与光散射联用技术精确分析分子量分布；通过热重分析（TGA）定量HBCD残留量；利用稀释模型（Dilution Model）建立质量周转数（MTN）与污染物去除率的数学关系。

结果与讨论

渗透通量与操作参数优化

研究发现，渗透通量与跨膜压力（TMP）呈线性正相关，膜通透性在260–420 kPa范围内保持稳定。

然而，当聚合物质量分数从5 wt%增至15 wt%时，溶液黏度和渗透压上升导致膜通透性下降。这一发现为工业放大过程中浓度-效率权衡提供了关键设计依据。

污染物去除效率

HBCD去除率随质量周转数（MTN）增加呈指数下降趋势，所有实验数据集均符合稀释模型（R²=0.934）。

值得注意的是，膜孔径（1–10 nm）、初始聚合物浓度等参数对污染物分配系数无显著影响，证明HBCD可自由穿透膜孔，而MTN是控制纯化程度的决定性因素。该方法可实现90%以上的HBCD去除率，且通过增加溶剂投加量可进一步提升纯度。

聚合物保留特性

聚合物在截留液中的保留率主要受初始质量分数影响，较高浓度（9.6 wt%）下聚合物损失显著降低。

膜孔径虽未呈现统计学显著性，但2 nm孔径下的聚合物损失略高于1 nm孔径。尤为重要的是，该过程可选择性去除降解产生的低分子量聚合物尾链，使再生塑料的分子量分布向高端偏移。

对消费后PS（PS2）的纯化实验显示，不溶性杂质可能形成滤饼层，反而增强聚合物保留，但污染物去除动力学与原生PS（PS1）一致。

结论与展望

本研究首次将膜基尺寸排阻技术成功应用于塑料纯化领域，突破传统回收技术的局限性。该方法通过精确调控MTN可实现定制化纯度控制，避免过度加工带来的资源浪费。其核心优势在于：① 无需解聚即可获得virgin级聚合物；② 可作为化学回收的预处理步骤，解决卤系阻燃剂等污染物对催化剂的毒化问题；③ 适用于PE、PP、PS、PVC、PU等占全球塑料消费68.5%的主流品类。未来研究方向包括开发绿色溶剂替代甲苯、拓展至混合塑料分离、建立涵盖浓差极化等效应的传质模型。这项技术为塑料循环经济提供了可规模化、可调制的纯化方案，有望成为连接机械回收与化学回收的关键桥梁。