废塑料热解的热力学与动力学分析：协同效应及可持续性前景

本研究针对废塑料热解过程中的能量消耗和产物调控问题，通过热重分析(TGA)结合模型自由(FWO/KAS/Starink)和模型拟合(CR/master plots)方法，系统研究了低密度聚乙烯(LDPE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)及混合废塑料(WMPs)在废流化催化裂化(sFCC)催化剂作用下的热解特性。研究发现sFCC催化剂可使WMPs初始热解温度降低47°C，活化能降低13.41 kJ/mol，并通过热力学参数(ΔH? /ΔG? /ΔS? )证实该过程为吸热非自发反应。该研究为废塑料资源化提供了重要理论依据。

　　

随着全球塑料产量从1950年的150万吨激增至2019年的4.6亿吨，预计206年将达到12.6亿吨，塑料污染已成为严峻的环境挑战。约76%的塑料最终成为废弃物，其中低密度聚乙烯(LDPE)占城市固体废物(MSW)中聚合物的22.7%。传统处理方式如填埋和焚烧不仅造成资源浪费，还导致严重的环境污染。热解技术可将废塑料转化为高附加值产物（热解油、气和炭），但存在能耗高、产物选择性差等问题。特别是混合废塑料(WMPs)的复杂组分更增加了热解难度。在此背景下，印度MNIT Jaipur的研究人员创新性地利用石油工业废弃的废流化催化裂化(sFCC)催化剂，系统研究了塑料热解的热力学和动力学特性，相关成果发表在《Next Sustainability》。

研究采用热重分析(TGA)在5-20°C/min升温速率下测试样品，运用Flynn-Wall-Ozawa(FWO)、Kissinger-Akahira-Sunose(KAS)和Starink等模型自由方法计算动力学参数，结合Coats-Redfern(CR)和master plots模型拟合方法确定反应机理，并通过Eyring-Polanyi方程计算热力学参数ΔH^?
、ΔG^?
和ΔS^?
。

3.1节通过SEM-EDS分析显示sFCC催化剂含Si(15.39wt%)、Al(16.93wt%)等活性组分，表面沉积53.70wt%的碳。3.2节的TG-DTG曲线表明，sFCC使WMPs初始热解温度从402°C降至355°C，热稳定性顺序为LDPE>WMPs>PS>WMPs/sFCC>PP。3.3节动力学分析显示，FWO方法最适合塑料热解研究，平均活化能顺序为LDPE(242.31kJ/mol)>WMPs(193.96kJ/mol)>WMPs/sFCC(189.73kJ/mol)>PP(174.12kJ/mol)>PS(166.38kJ/mol)，证实sFCC可降低活化能达13.41kJ/mol。3.4节通过CR和master plots方法确定LDPE、PS和WMPs遵循一级反应模型(F1)，而PP和WMPs/sFCC遵循二级反应模型(F2)，表明催化剂改变了反应机制。3.5节热力学分析显示所有样品ΔH^?
为正值（LDPE最高224.12kJ/mol），证实热解为吸热过程；ΔS^?
均为负值（PS最低-0.2503kJ/mol-K），表明系统有序度增加；ΔG^?
均为正值（LDPE最高383.39kJ/mol），说明反应需外部供能。

该研究首次系统阐明了sFCC催化剂对混合废塑料热解的促进作用机制，证实其可通过降低活化能和反应温度显著提高能效。特别是发现WMPs存在正协同效应，其活化能低于纯LDPE而高于PP/PS，这为混合塑料的优化处理提供了理论指导。热力学参数证实热解过程需外部供能但能有效降低系统混乱度，与"变废为宝"的循环经济理念高度契合。研究不仅为工业规模热解反应器设计提供了关键动力学数据，还实现了两种工业废弃物（废塑料和废催化剂）的协同资源化，具有显著的环境和经济效益。未来研究可进一步优化催化剂组成和反应条件，以提高产物选择性和经济性。