LDPE-PET废料催化微波转化：工艺参数对热解产物分布的影响机制研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Catalytic microwave conversion of LDPE–PET waste: Unravelling the influence of process parameters

本文系统探讨了催化微波辅助热解（CMAP）技术在转化LDPE-PET混合塑料废物中的应用，通过调控微波功率（270-630 W）、吸收剂（活性炭）用量和催化剂（沸石）负载量等参数，揭示了其对热解油（30-45 wt%）、气体（20-35 wt%）和焦炭（25-40 wt%）产率的显著影响。研究采用FTIR和GC-MS分析表明，产物包含脂肪族/芳香族烃类及含氧化合物（呋喃、环戊烯酮等），为塑料废物资源化提供了重要理论依据。

　　

研究亮点

原料制备与表征

本研究原料为从商业渠道采购的低密度聚乙烯（LDPE）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）混合塑料颗粒。选择50:50（LDPE:PET重量比）的混合比例是为了平衡脂肪族（LDPE）和含氧/芳香族（PET）降解产物，这反映了包装废物的常见组成。将颗粒干燥4小时以去除水分，LDPE在60°C下干燥，PET在120°C下干燥（PET尤其具有吸湿性）。

塑料表征

表3展示了两种原料的工业分析、元素分析和热值。LDPE和PET的水分含量均可忽略不计，这对热解和燃烧有利，因为它减少了因水分蒸发造成的能量损失。LDPE的挥发分含量（约99.8%）显著高于PET（约95.17），这使得其能更大程度地转化为油品和气体产物。其灰分含量极低（约0.08%），而PET基本无灰分。然而，PET显示出显著更高的固定碳含量（约4.75%），而LDPE的固定碳含量可忽略不计（约0.04%）。元素分析显示，LDPE主要由碳（约85.7%）和氢（约14.28%）组成，氢碳比（H/C）高，约为1.99，而PET的碳含量（约62.5%）和氧含量（约33.33%）较高，导致其H/C比（约1.28）较低，氧碳比（O/C）较高（约0.4）。LDPE的高位热值（HHV）约为46.4 MJ/kg，显著高于PET（约23.01 MJ/kg），这与其较高的氢含量和较低的氧含量一致。PET较高的氧含量导致其热值较低，并预示着热解过程中会生成更多的含氧化合物。

局限性及未来工作

本研究的局限性包括催化剂上积碳的定量分析和液体产品的稳定性。虽然已使用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）确定了积碳的形成，但我们未进行直接的定量测量。在未来的研究中，我们计划采用热重分析（TGA）或碳平衡等技术来更准确地评估积碳沉积和催化剂失活情况。同样，对于实际应用至关重要的液体产品稳定性也未在本研究范围内进行评估。未来的工作将包括加速老化试验，以评估储存过程中油品的氧化稳定性和成分变化。其他需要探索的领域包括优化反应器设计以提高传热传质效率、研究不同塑料混合比例的影响、评估不同催化剂（如改性沸石）的性能，以及进行全面的技术经济分析和生命周期评估，以确定该工艺在工业规模上的可行性和环境效益。

结论

在氮气气氛下，使用沸石和活性炭，在270–630 W的微波功率范围（峰值工艺温度达到500°C）内，对二元塑料原料（LDPE:PET, 1:1 wt%）进行了微波辅助热解（MAP）。实验方案包括颗粒尺寸减小、均匀催化剂混合、热解反应和顺序产物回收，最终产生三个不同的相：可冷凝液体热解油、永久气体和固体残渣（焦炭和用过的催化剂）。产物收率范围如下：热解油为30-45 wt%，气体为20-35 wt%，焦炭为25-40 wt%。通过FTIR光谱对液体产物进行的官能团分析揭示了主要的C-H伸缩振动、羰基（C=O）和芳香族C=C谱带，表明存在复杂的脂肪族、含氧和芳香族烃类结构。GC-MS分析进一步揭示了化学分布对微波功率的依赖性：在270 W时，脂肪族烃类（30-50 wt%）占主导地位；在450 W时，单环和多环芳烃（25-35 wt%）更为普遍；而在630 W时，包括呋喃和环戊烯酮在内的含氧化合物（15-25 wt%）增加。在所有条件下均鉴定出酚类衍生物。碳数分布范围从C₇到C₂₅，在450 W时C₁₀–C₁₅馏分出现峰值，这与增强的链断裂和二次裂解一致。更高的微波功率促进了低分子量烃类（C₇–C₁₀）的形成，表明热分解程度加剧。