食品包装废弃物中生物质与塑料的共热解：热解特性、协同效应及反应动力学

《Journal of Environmental Management》：Co-pyrolysis of waste biomass and plastics from food packaging waste: Pyrolysis characteristics, synergetic effects, and reaction kinetics

外卖包装废弃物（塑料、木竹餐具）共热解协同效应及动力学研究。采用热重分析（TG）结合Fraser-Suzuki解耦方法，揭示生物质与塑料共热解过程中温度依赖的双向协同机制，发现PE作为氢供体可提升自由基稳定性，使碳保留率提高12.7%，液气产物收率增加18%-25%。研究建立四组分动力学模型，优化热解条件至650-750℃/5-10℃·min?1区间，实现废弃物体积减量达85%以上，为餐厨垃圾资源化提供理论支撑。

　　

姚芳|唐远军|李国能|宋梦华|叶超|郭文文|王龙飞|岑金涛|马嘉音|郑友权

浙江科技大学能源与环境系统工程系，中国杭州，310023

引言

随着中国食品配送行业在过去几年的迅速发展，尤其是在COVID-19疫情期间及之后，一次性餐具产生的食品包装废弃物激增，已成为一个关键的环境挑战（He等人，2023年；孙和张，2024年）。食品包装废弃物的主要成分包括塑料包装材料、塑料勺子以及用木材或竹子制成的生物质筷子。值得注意的是，在中国的一些地区，如北京和上海，垃圾分类政策的实施为食品包装废弃物的资源回收提供了便利。然而，在中国大多数地区，正式的垃圾分类基础设施仍需进一步加强，因为可回收废物的收集在很大程度上依赖于人工分类和非正式的回收者（郭等人，2021年）。此外，这些废弃物上的食物残渣或油渍给通过传统回收方式（包括机械和物理回收或再生造粒）进行有效资源回收带来了重大挑战（陈和胡，2024年；董等人，2024年）。因此，开发食品包装废弃物的替代利用方法至关重要。

在用于回收受污染的可燃固体废弃物的各种技术中，热处理技术，特别是热解技术，因其显著的潜力（如产生作为土壤改良剂的炭、热解油或作为能源载体的合成气）而在减少质量/体积和提高资源回收价值方面表现出色（唐等人，2025年；张等人，2024年）。热解是在缺氧条件下分解有机材料的过程，从而生成油、气和炭等中间产物（董等人，2025年）。这些中间产物可以方便地储存、运输、提纯并转化为其他产品，从而为其高价值利用提供了潜在途径（阮等人，2024年；徐等人，2024年）。最近，人们对生物质和塑料的共热解越来越感兴趣（张等人，2025年；苏等人，2023年）。薛（Xue等人，2015年）研究了红橡木和塑料共热解对炭性质的协同效应，结果表明共热解对炭的比表面积有负面影响，可能会降低炭产品的活性位点暴露和传质效率。此外，辛格（Singh等人，2021年）采用五种典型的非模型等转化方法研究了玉米芯和聚乙烯（PE）的共热解动力学，发现该反应所需的活化能比单独热解各组分的活化能低约10%，这为提高反应效率和降低能耗及成本提供了可能性。苏里亚帕拉奥（Suriapparao等人，2018年）研究了催化剂和微波辅助对生物质/塑料混合物共热解的协同效应，发现共热解的质量/能量转化效率高于单独生物质热解。江（Jiang等人，2022年）提出，在生物质/塑料共热解过程中，协同作用倾向于降低活化能。

共热解在应用于生物质和塑料的混合废弃物流时具有多种优势。特别是，共热解通过利用生物质和塑料之间的协同效应显著降低了热解过程所需的能量（Nawaz和Razzak，2024年）。富含氢的塑料作为“氢供体”，提高了生物质热解过程中产生的自由基的稳定性，从而促进了原料向有价值产品的更完全转化（Ansari等人，2021年）。此外，共热解在热分解过程中产生了协同效应，提高了产品的物理化学性质（Uzoejinwa等人，2018年）。生物炭中碳保留效率的提高表现为结构完整性和孔隙度的增强（王等人，2024年；杨等人，2024年），而液态和气态组分的生成加速提高了它们的能量密度和稳定性。这些改进通过延长产品寿命、减少后处理能量需求以及减少二次污染物的形成，优化了共热解技术的可持续性和经济性（张等人，2025年）。

尽管有这些潜在的好处，但将共热解技术应用于食品包装废弃物仍处于起步阶段，仍存在一些需要紧急解决的关键科学和技术挑战（Kwon等人，2024年；Lee等人，2021年）。混合食品包装废弃物的热化学转化特性、不同废弃物组分之间的协同效应以及共热解过程的反应动力学和机制（例如，多组分热解反应在温度范围内的重叠）尚未完全了解（Kremer等人，2022年；Zhou等人，2025年）。这些知识空白限制了共热解条件的优化和高价值产品的有效生产。

因此，本研究旨在通过热重分析（TG）全面研究共热解的特性、其协同效应以及食品配送行业中典型生物质和塑料废弃物的反应动力学。通过表征共热解的温度依赖性协同机制并进行Fraser-Suzuki（FS）反卷积动力学分析，本研究的新颖之处在于确定了特定于废弃木材/竹生物质和PE塑料系统的温度依赖性双向交互机制，为建立反应动力学预测模型提供了基础。这些发现可以为食品包装废弃物的清洁高效处理提供参考，并有助于可持续废物管理策略的发展。

部分摘录

原料特性

本研究使用聚乙烯（PE）塑料和一次性筷子（木制和竹制）来代表中国典型的食品包装废弃物成分。具体来说，选择了纯PE塑料、木屑和竹粉进行热重实验。纯PE粉末的粒径小于106微米，购自中国上海Macklin公司，而木屑和竹粉的粒径在80至106微米之间

单一废弃物组分的热解

为了有效表征食品包装废弃物组分的共热解反应，首先实验研究了废弃物单一组分的热解特性。木屑、竹子和PE塑料分别在5、10和20°C?min^?1的加热速率下进行热解，结果总结在图1中。结果显示，木屑和竹子的总质量损失分别为67.2%和55.2%

结论

本文系统地研究了典型食品包装废弃物组分的熱化学转化特性，重点包括热解行为表征、协同效应和动力学参数化。协同效应是通过将实验结果与理论数据进行比较分析计算得出的。动力学建模采用了FS反卷积函数将重叠反应分解为四个伪组分，随后进行了KAS处理

CRediT作者贡献声明

姚芳：撰写——初稿，研究。唐远军：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，研究，概念化。李国能：监督，资金获取。宋梦华：验证，研究。叶超：验证，资金获取，形式分析。郭文文：验证，方法学。王龙飞：形式分析，数据管理。岑金涛：软件，数据管理。马嘉音：可视化，验证。郑友权：撰写——审稿与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国浙江省自然科学基金（编号LMS25E060007）、浙江省“先锋”和“领头雁”研发计划（编号2024C03116）以及浙江科技大学的研究生研究创新基金的支持。