微波联合生物处理协同脱硫技术实现硫化橡胶绿色回收的机制研究

研究人员针对废旧轮胎橡胶难降解、硫交联结构顽固等问题，创新性地采用微波(MW)预处理联合硫氧化菌株(Gordonia desulfuricans和Rhodococcus erythropolis)的协同脱硫策略。通过FTIR、SEM和溶胀实验证实，该方案使橡胶质量损失达14.1±0.8%，硫酸盐释放量提升至28.4 mg/g，交联密度降低至5.18×10-4 mol/cm3，重金属释放量符合排放标准，为橡胶废弃物绿色回收提供了新技术路径。

　　

随着汽车工业的快速发展，全球每年产生约10亿条废旧轮胎，其中70%的橡胶用于轮胎制造。这些硫化橡胶因交联网络结构难以降解，在自然环境中可存留数百年。传统填埋和焚烧处理不仅占用土地资源，还会释放多环芳烃(PAHs)和重金属等污染物。虽然微波(MW)和生物脱硫技术各自展现潜力，但单独使用时存在效率低、周期长等瓶颈——微波处理可能导致自由基重组，而微生物仅能作用于橡胶表面。如何突破这些限制，实现高效环保的橡胶回收，成为环境科学与材料工程领域的重大挑战。

在这项发表于《Polymer Testing》的研究中，科研团队创新性地提出"化学-生物"协同脱硫策略。通过系统比较微波预处理联合菌株处理、以及菌株预处理结合微波处理两种路径，发现生物预处理后微波处理可使硫酸盐释放量提升至28.4±6.2 mg/g，质量损失达12.8±0.9%。尤为重要的是，该方法释放的铜(Cu)、铅(Pb)等重金属浓度均低于污水排放限值，其中锑(Sb)含量<1 μg/L，证实了技术的环境安全性。

研究采用四大关键技术：1) 微波辅助化学脱硫：使用5M H₂O₂在200℃处理30分钟；2) 微生物脱硫：选用Gordonia desulfuricans和Rhodococcus erythropolis菌株进行21天培养；3) 交联密度测定：通过甲苯溶胀法结合Flory-Rehner方程计算；4) 表面表征：采用ATR-FTIR分析C-S(730 cm^-1)和S-O(1092 cm^-1)键变化，SEM观察表面形貌。实验所用2 mm橡胶颗粒来自智利Polambiente公司的采矿轮胎回收料。

【硫酸盐定量】
微波单独处理时硫酸盐释放达596.9±19.7 mg/L，而R. erythropolis在MW预处理后培养时释放量达104.2 mg/L，显著高于G. desulfuricans的28.2 mg/L。反向处理（生物预处理+MW）效果更显著，硫酸盐释放提升至952.97±167.33 mg/L，证实处理顺序对脱硫效率的关键影响。

【质量损失评估】
MW单独处理质量损失9%，而MW预处理联合G. desulfuricans处理提升至14.1±0.8%。值得注意的是，生物预处理后MW处理仍能实现11.5±0.7%的质量损失，打破"单次处理即饱和"的传统认知。

【交联密度】
生物预处理+MW处理使交联密度降至5.18×10^-4±3.2×10^-5 mol/cm³，而MW预处理+生物处理反而增加至8.82×10^-4 mol/cm³，表明微波可能引发自由基重组形成新交联。

【FTIR分析】
在1018-1092 cm^-1区间S-O键显著增强，证实菌株通过"4S"代谢途径将硫转化为磺酸基；而730 cm^-1处C-S键减弱，说明MW能有效断裂硫交联。

【SEM观察】
MW处理后橡胶表面出现10-50 μm的侵蚀坑，与生物处理形成的微裂纹(1-5 μm)形成互补，协同作用使表面孔隙率提升300%。

【金属释放】
铜释放量(1341 μg/L)虽略超1 mg/L限值，但生物预处理后MW处理组降至852 μg/L。铬(Cr)和钡(Ba)始终低于3.6 μg/L和42 μg/L，远低于智利Decree 601标准。

这项研究的重要意义在于：首次证实微波与微生物处理具有协同效应而非简单叠加——微波能打开橡胶内部交联网络，使微生物获得更多作用位点；而微生物预处理可清除抑制性添加剂，提升后续化学处理效率。通过优化处理顺序（生物预处理+MW），使脱硫效率提升2.5倍，同时重金属浸出量降低36%。该技术符合绿色化学原则，为建立"橡胶回收-脱硫-再生"的循环经济模式提供了关键技术支撑。未来研究可进一步优化菌种组合，并探索工业化规模的连续处理工艺。