综述：废弃塑料热解及资源化利用的研究进展：方法、机理、影响因素及未来展望

《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》：Research Progress on Pyrolysis and Resource Utilisation of Waste Plastics: Methods, Mechanisms, Influencing Factors, and Future Prospects

塑料废弃物热解技术研究进展及工业化挑战。本文系统综述了塑料废弃物热解及其资源化潜力，涵盖反应机理、方法分类、影响因素及工业化现状。研究指出催化热解面临催化剂稳定性差、工业化成本高、产品附加值低等挑战，建议未来应重点开发低成本高效催化剂，优化工艺参数，推动其在燃料生产和原料制造领域的应用，以促进循环经济发展。

　　塑料作为现代工业中不可或缺的材料，因其低成本、轻质、柔韧性和耐腐蚀性等特性，被广泛应用于包装、建筑、纺织、电子产品等多个领域。然而，随着塑料产量的持续增长，其废弃物的处理问题日益严峻，成为全球生态环境和资源管理的重大挑战。据统计，2010年至2023年间，全球塑料产量从2.7亿吨增长至4.1亿吨，而中国作为全球最大的塑料生产国之一，其塑料行业规模不断扩大，2023年产生的塑料废弃物高达6300万吨，但仅有约30%的废弃物实现了回收和处理。大量低附加值的塑料废弃物被混合到生活垃圾中进行焚烧或填埋，这种处理方式不仅浪费资源，还对环境和人类健康造成潜在威胁。

塑料废弃物对生态环境的危害主要体现在土壤、大气和水体等多个方面。在土壤中，塑料的长期积累会破坏土壤结构，影响水分和养分的传输，进而抑制植物根系的生长，降低土壤肥力和农作物产量。在大气中，塑料焚烧会释放有毒气体和温室气体，而填埋则会产生大量甲烷等温室气体。同时，塑料碎片在环境中分解后形成微塑料，通过大气传播进一步加剧空气污染和气候变化。在水体中，塑料垃圾不仅影响水体的美观，还可能堵塞水利设施，影响水资源的利用。在海洋环境中，大量塑料垃圾进入海洋后，逐渐破碎成微塑料，被海洋生物摄入，其中的有害添加剂会累积在生物体内，干扰其生理功能，甚至导致肠道堵塞、营养不良或死亡。此外，海洋塑料垃圾还会通过物理缠绕对海洋生物造成伤害。这些危害不仅影响自然生态系统，也对人类健康构成威胁，例如通过食用受微塑料污染的海产品，有害物质可能进入人体，影响肠道微生物群落结构及消化和免疫功能。

针对塑料废弃物的处理，目前已有多种技术路径。其中，化学回收被认为是实现塑料循环经济的关键手段之一。化学回收主要分为四种类型：初级回收（闭环回收）、次级回收（机械回收）、三级回收（化学回收）和四级回收（能量回收）。初级回收旨在保持材料原有性能，将回收的塑料废弃物重新加工成与原产品相似的产品。然而，实际操作中，由于回收过程中杂质混合和加工技术的限制，最终产品的性能往往难以完全恢复到原始材料水平。次级回收通过物理方法如粉碎和熔融，将塑料废弃物转化为再生塑料颗粒，用于制造对材料性能要求较低的产品。但反复的机械加工会导致塑料分子链断裂和降解，降低产品质量，属于“降级回收”。四级回收则通过焚烧塑料废弃物获取能源，用于发电或供热。虽然这种方法在一定程度上实现了资源利用，但焚烧过程中会产生大量有害气体，如二噁英，对环境和人体健康构成威胁。

相比之下，三级回收（化学回收）因其能够将塑料完全分解为原始化学成分，并实现高附加值产品的定向转化，展现出更大的发展潜力。化学回收主要通过热化学或化学方法，将塑料废弃物转化为燃料油、单体及其他化学原料。其核心优势在于突破了机械回收的“降级”限制，并避免了焚烧带来的环境危害。目前，化学回收的主要方法包括热解、气化、水热分解和溶剂分解。热解技术是其中最具代表性的方法之一，它在无氧或低氧环境下进行，通过高温促进塑料分子链的热裂解，将其转化为液态燃料、气体和固体残渣。热解技术在实际应用中具有显著优势，其产品种类多样，且能够实现较高的资源转化率。

在塑料热解过程中，反应机制和化学路径是研究的核心内容。热解反应通常涉及复杂的化学过程，包括裂解、氧化、脱氢和脱卤等步骤。不同类型的塑料因其化学结构和物理特性不同，热解行为也存在差异。例如，聚烯烃类塑料（如聚乙烯和聚丙烯）在热解过程中通常表现出较高的裂解效率，而聚氨酯等含有极性基团的塑料则可能因分子链间较强的相互作用而表现出不同的热解特性。热解反应的产物种类和分布也受到多种因素的影响，包括反应温度、压力、停留时间、原料配比、催化剂类型及反应环境等。其中，催化剂的应用在热解过程中起到了关键作用，能够显著提高产物的附加值和选择性。

然而，当前的热解技术仍面临诸多挑战。传统热解方法的附加值较低，芳香烃类产物的产率通常不足15%，这直接限制了热解产品的经济价值和应用范围。此外，热解过程中使用的催化剂普遍存在稳定性差、寿命短等问题，这不仅增加了生产成本，也降低了工艺的经济可行性。在实际工业应用中，频繁更换或再生催化剂会严重影响生产效率，阻碍热解技术的大规模推广。同时，尽管实验室研究中已出现多种新型热解方法，但在工业化过程中仍面临诸多瓶颈，如热解工艺的放大难度、设备投资成本高昂以及工艺运行的稳定性不足。这些问题严重制约了热解技术在塑料资源化利用领域的进一步发展。

针对上述问题，研究者们提出了多项改进方向。首先，应着力开发低成本、高效率的催化剂，以提高热解产物的附加值和反应效率。其次，优化热解工艺参数，如温度、压力和反应时间，以实现更高效的资源转化。此外，推动热解技术在燃料生产及化工原料制造领域的应用，是提升其经济性和环境效益的重要途径。例如，热解技术可以用于生产高品位的燃料油，为交通运输和工业领域提供可再生的能源来源。同时，热解产生的单体和化学原料也可作为化工生产中的重要原料，进一步拓展其应用范围。

在塑料热解技术的发展过程中，不同类型的塑料因其化学结构和物理性能的差异，表现出不同的热解行为和产物分布。例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）作为一种常见的塑料材料，因其分子链中含有刚性的苯基结构和柔性的烷基链，具有较高的透明度和机械强度，但其耐碱性较差，易发生水解反应。PET主要应用于饮料瓶、纺织纤维和医疗设备基材等领域，其废弃物的处理技术包括机械回收、化学回收和能量回收。然而，由于PET的热解过程较为复杂，其产物的附加值相对较低，因此需要进一步优化热解条件和催化剂体系，以提高其资源化利用效率。

高密度聚乙烯（HDPE）和低密度聚乙烯（LDPE）作为聚烯烃类塑料的典型代表，因其分子链结构的差异而表现出不同的热解特性。HDPE由于分子链分支较少，具有较高的结晶度，因此在热解过程中表现出较好的热稳定性。相比之下，LDPE的分子链分支较多，导致其结晶度较低，热解产物的多样性也较高。这两种塑料在热解过程中均能产生燃料油、气体和固体残渣，但其产物的组成和产率存在差异。例如，在优化条件下，HDPE的热解产物中粗油的产率可达76%，而LDPE的热解产物则更多样化，包括低分子量的油类、气体和焦炭等。因此，针对不同类型的塑料，需要开发相应的热解技术和催化剂体系，以实现更高效的资源转化。

在实际应用中，塑料热解技术的推广还需要解决一系列技术难题。例如，混合塑料的热解处理是一个普遍存在的问题，由于不同塑料成分的差异，混合塑料的热解效率和产物质量往往受到影响。因此，开发高效的催化热解技术，能够显著提高混合塑料的热解效率，实现更高比例的资源回收。此外，热解过程中的能耗问题也是制约其推广的重要因素。目前，热解技术的能耗较高，特别是在大规模工业化生产中，如何降低能耗并提高能源利用效率是亟待解决的关键问题。

综上所述，塑料热解技术在实现塑料废弃物资源化利用方面具有广阔前景。然而，要推动其在工业领域的广泛应用，还需要在催化剂开发、工艺优化和产品高值化等方面持续努力。未来的研究应聚焦于开发低成本、高效率的催化剂体系，优化热解工艺参数，并探索热解技术在燃料生产和化工原料制造中的更多应用场景。通过这些措施，塑料热解技术有望成为实现塑料循环经济的重要支撑手段，为减少塑料污染、提升资源利用效率和推动可持续发展做出更大贡献。