废塑料化学回收新策略：催化升级与循环经济路径

本文针对全球塑料污染与资源浪费问题，系统探讨了化学回收技术如何通过催化策略将废塑料转化为高值化学品或再生聚合物。研究重点分析了聚烯烃（如PE、PP）的惰性C-C键裂解难题，提出了热催化、光催化、电催化等新兴能量输入方法，并强调技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）对规模化应用的重要性。该工作为闭路循环与开环升级提供了创新思路，对推动塑料可持续发展具有关键指导意义。

　　

随着塑料制品在现代社会的广泛应用，其废弃量逐年激增，但全球回收率不足10%，大量塑料通过填埋或焚烧处理，导致温室气体排放和环境污染。塑料主要由碳、氢、氧元素构成，本可作为资源循环利用，但因聚烯烃（如聚乙烯PE、聚丙烯PP）的C-C键化学惰性高，传统机械回收易导致材料性能下降（即“降级回收”）。为实现塑料的高值化转化，化学回收策略通过催化反应将聚合物解聚为单体或升级为高值化学品，成为当前研究热点。

本研究系统综述了废塑料化学回收的技术路径，重点包括闭路循环（再生为同类塑料）和开环升级（转化为化学品、燃料等）。关键方法涵盖热催化裂解、氢解反应、功能化改性，以及光催化、电催化、微波辅助和机械化学等新兴能量输入技术。通过优化催化剂（如Ru/TiO₂、沸石分子筛）和反应器设计（如温度梯度反应器），显著提升产物选择性与能效。同时，研究强调需结合技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）评估规模化可行性，并呼吁产学研协同推动循环经济。

聚合物表征与产物分析

通过尺寸排阻色谱（SEC）分析分子量分布，差示扫描量热法（DSC）和X射线衍射（XRD）测定热性质与结晶度，核磁共振（NMR）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征化学结构。产物复杂体系需借助气相色谱-质谱联用（GC-MS）和二维色谱（GC×GC）进行定性与定量分析。

催化回收策略

聚酯（如PET）可通过水解、醇解等温和条件解聚，而聚烯烃需借助催化剂（如HZSM-5沸石、Ru基催化剂）在400–600°C下进行C-C键裂解。研究表明，自供氢沸石催化剂可实现PE向汽油范围烃类的高选择性（99%）转化。功能化策略（如PE胺化）通过引入极性基团提升材料附加值，避免完全解聚的能耗问题。

新兴能量输入技术

• •
  电催化：利用可再生能源驱动PET水解产物（如乙二醇EG）转化为甲酸盐，或实现聚氯乙烯（PVC）脱氯并同步合成氯化有机物。
• •
  光催化：通过TiO₂等光敏剂产生活性氧物种（ROS）断裂聚合物键，但需优化光穿透效率。
• •
  微波辅助：Zn/b-ZnO催化剂在微波场中形成局部热点，实现聚丙烯（PP）92%转化率，能效提升8倍。
• •
  机械化学：球磨或超声引发自由基反应，在室温下将PP降解为C₁–C₁₀烃类。

技术经济与生命周期分析

TEA需考虑原料成本、催化剂寿命及下游精制工艺，最小销售价格（MSP）和净现值（NPV）是评估经济可行性的关键指标。LCA采用“避免负担法”量化碳足迹，如升级回收工艺可显著降低全球变暖潜能（GWP）和不可再生能源消耗（NREU）。但当前分析常忽略产物规格不符带来的额外升级成本，需通过敏感性分析优化流程设计。

结论与展望

化学回收将废塑料转化为资源，是实现塑料循环经济的关键互补路径。催化技术革新与可再生能源整合有望降低能耗与排放，但需解决催化剂抗中毒、混合塑料选择性转化等挑战。多学科协作（材料科学、工程学、政策制定）与标准化数据平台将加速技术从实验室向产业化过渡，最终推动塑料全生命周期可持续管理。