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为解决塑料生产依赖化石燃料带来的环境问题，研究人员以 ZSM-5 沸石为催化剂，在固定床反应器中研究加氢处理酯和脂肪酸选择性转化为轻质烯烃。结果在优化条件下，轻质烯烃产率达 65%，丙烯达 35%，为绿色塑料生产提供新途径。
在当今时代，塑料在人们的生活中无处不在，从日常用品到工业材料，塑料的身影随处可见。然而，传统塑料生产高度依赖化石资源，这带来了一系列严峻的问题。一方面，随着全球塑料需求的不断攀升，对原油和天然气等化石燃料的消耗日益加剧，按照当前的趋势发展，到 2050 年，塑料可能占据世界油气总用量的 20%。另一方面，塑料生产过程中排放的大量温室气体（GHG）对环境造成了沉重的负担，每年高达 2.8 亿吨的排放量加剧了全球气候变暖。因此，寻找可持续的塑料生产原料和技术迫在眉睫。
在这样的背景下，生物质作为一种可再生资源，逐渐进入了研究人员的视野。生物质来源广泛，包括半纤维素生物质、淀粉、脂质和藻类等，通过各种技术可以将其转化为有价值的产品。其中，加氢处理酯和脂肪酸（HEFA）过程备受关注，一些公司已经将其商业化。例如，Neste 公司开发的 NEXBTL?技术，能够将可再生油脂转化为优质的可再生产品。在此过程中，在异构化之前获得的可再生石蜡流为大规模生产生物基轻质烯烃提供了契机。
来自国外的研究人员针对这一领域展开了深入研究，他们以 ZSM-5 沸石为催化剂，在连续固定床反应器中，对加氢处理酯和脂肪酸转化为轻质烯烃的过程进行了研究。研究结果显示，通过优化操作条件，在 600°C、大气压、初始烃分压为 0.33 bar、重量时空速（WHSV）为 250 h?1的条件下，使用硅铝比（Si/Al）为 30 的 ZSM-5 沸石作催化剂，轻质烯烃产率可达 65%，丙烯产率可达 35%，且转化率近乎完全。这一研究成果意义重大，为绿色塑料生产提供了新的途径，有望减少对化石资源的依赖，降低温室气体排放，推动塑料产业向可持续方向发展，该研究成果发表在《Biomass and Bioenergy》上。
研究人员开展研究用到的主要关键技术方法包括：采用商业购买的不同硅铝比的 ZSM-5 沸石（质子化形式），在进行表征和催化测试前，将其在 550°C 空气流中煅烧 5 h；通过控制合成条件制备一系列不同硅铝比的 ZSM-5 沸石；在连续固定床反应器中进行催化裂解实验，研究不同条件对反应的影响。
研究结果：
- 优化操作条件：研究重点优化了裂解温度、烃分压和重量时空速（WHSV）等关键因素。发现较高的裂解温度（600°C）有利于促进长链可再生石蜡的分解，同时限制了一些不利反应，从而提高了转化率和轻质烯烃产率。
- ZSM-5 沸石性质影响：研究发现线性烷烃在 ZSM-5 多孔网络中的扩散限制有限，即使减小晶体尺寸，其活性或轻质烯烃选择性的提升也不明显。调整硅铝比（Si/Al）对产品选择性影响较小，表明该沸石促进双分子氢转移的能力有限。此外，在 400°C 的低温裂解时，将酸性位点定位在特定通道内可限制氢转移副反应，提高轻质烯烃选择性；但在较高反应温度下，由于裂解机制占主导且氢转移反应在热力学上不利，未观察到明显的限制效应或单分子反应对双分子反应的促进作用。
- 实际应用潜力：在优化的反应条件下，使用硅铝比为 30 的 ZSM-5 沸石，实现了轻质烯烃 65% 的高产率和丙烯 35% 的产率，且转化率近乎完全，充分展示了通过裂解可再生石蜡生产轻质烯烃的巨大潜力。
研究结论和讨论：该研究成功证明了在单流固定床反应器中，使用 ZSM-5 沸石催化裂解可再生石蜡生产绿色轻质烯烃和丙烯具有良好的前景。通过优化操作条件可以获得较高的产率，这为工业生产生物基轻质烯烃提供了重要的理论依据和实践指导。然而，研究也发现了一些限制因素，如 ZSM-5 沸石在促进某些反应方面存在的局限性。尽管如此，这一研究成果依然为未来进一步探索生物质转化技术、实现绿色化工生产奠定了坚实基础，有望在减少塑料生产对化石资源依赖、降低环境污染等方面发挥重要作用，推动整个行业向更加可持续的方向发展。
