催化热解升级：废弃COVID-19口罩转化为高辛烷值烃类燃料的技术路径与产物特性分析

本研究针对后疫情时代废弃口罩带来的聚丙烯污染问题，通过构建低成本半间歇式反应器，结合ZSM-5催化剂的热解工艺，将口罩转化为高辛烷值液态烃。结果表明，催化热解虽降低液体产率（最低35 wt.%），但显著提升燃料品质（芳香烃含量达33 wt.%，异/正构烷烃比≈1.25），为塑料废物资源化提供了质量导向的升级策略。

　　

新冠肺炎疫情的暴发使得一次性医用口罩的消耗量达到前所未有的规模，全球每月使用量曾高达129亿只。这些口罩主要成分为聚丙烯（PP），其废弃后不仅加剧了塑料污染，还会释放大量微塑料纤维（每日约17.3万根），对生态系统和人类健康构成威胁。传统的处置方式如焚烧可能产生二噁英等有毒物质，而填埋则无法实现资源循环。在此背景下，开发将口罩废弃物转化为高附加值能源产品的技术，成为实现塑料循环经济的关键路径。

本研究发表于《Sustainable Chemistry for Climate Action》，通过自主搭建的半间歇式热解反应器，系统探究了在不同温度（420–475°C）下，ZSM-5催化剂对废弃口罩热解产物分布及燃料品质的影响。研究不仅关注液体产率，更重点分析了产物组成的升级效果，为废弃塑料的高值化利用提供了实验依据和技术支撑。

在方法上，研究人员采用50克口罩碎片作为原料，在定制反应器中进行热解实验，催化剂ZSM-5以固定床形式置于原料上方。通过精确控制升温速率（10°C/min）和反应温度，收集冷凝后的液体产物，并利用全二维气相色谱-氢火焰离子化检测器（GC×GC-FID）按ASTM D8396标准进行烃类组成分析。气体产率通过质量平衡计算得出，焦炭生成可忽略（<0.1 wt.%）。

3.1. 液体产物收率

热解温度在420–475°C范围内，无催化剂时液体产率最高可达约60 wt.%，而使用ZSM-5催化剂后，液体收率降至35–54 wt.%。在460°C时，两种模式均出现产率峰值，但475°C时因二次裂解加剧，液体收率下降。催化剂的引入明显加速反应进程，使总反应时间缩短至20分钟，尤其在低温下（420°C）液体收率降低41%，表明ZSM-5显著促进气相裂解。

3.2. 产物组成特征

GC×GC-FID分析显示，随着温度升高，正构烷烃和异构烷烃总量下降，环烷烃和芳香烃含量增加。无催化剂时，460–475°C下环烷烃占比显著上升；而ZSM-5催化条件下，芳香烃含量最高达33.4 wt.%，异构烷烃比例也明显提高。低温（420°C）有利于C₅-C₉范围内的异构烷烃生成，符合石脑油馏分的组成特征。

3.3. 催化剂对组成的调控作用

ZSM-5通过其布朗斯特酸性和择形孔道结构，促进聚丙烯裂解中间体的异构化和芳构化。催化热解使异/正构烷烃比例提高至约1.25:1，同时将长链烃转化为更多高辛烷值组分（如异构烷烃和单环芳烃）。尽管液体收率有所牺牲，但产物中高辛烷值组分的富集显著提升了燃料的调和品质。

本研究表明，催化热解在废弃口罩资源化中具有明显的技术优势：ZSM-5催化剂能够定向调控产物组成，提高燃料的辛烷值特性，虽在一定程度上降低液体收率，却实现了从“量”到“质”的升级。该研究为塑料废弃物的催化升级提供了实用化的技术范例，并为规模化应用中的反应器设计、工艺优化和产物调控奠定了实验基础。未来工作可进一步围绕催化剂再生、反应动力学建模以及系统集成展开，以推动该技术向工业级应用迈进。