聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料与Amberlyst-15的共热解反应用于生产单芳烃

《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》：Co-pyrolysis of polyethylene terephthalate plastic and Amberlyst-15 towards monoaromatic hydrocarbons production

PET与Amberlyst-15协同热解提升单环芳烃产率机制研究。通过Py-GC/MS和TG-MS分析证实，磺酸基团作为关键活性位点，显著降低PET解聚温度（从430℃降至350℃），并协同促进脱羧/氢解氧化反应。快速热解（10^4℃/s）条件下，PET:A15（1:1）质量比时MAHs产率达14.9 wt%和选择性55.2%。动力学分析表明活化能降低42.2%（65.8 kJ/mol），早期至中期反应阶段能量势垒最低，揭示氢环境可调控酸催化转化路径的机理。该研究为废PET和A15资源化高值芳烃提供了新策略。

　　PET与Amberlyst-15（A15）共热解的系统研究，为塑料废弃物的高效回收提供了新的思路。PET作为一种广泛应用的包装和纺织材料，其全球废弃量持续增加，成为环境治理的重要挑战。传统的PET回收方法在效率和产物质量上存在明显不足，而催化热解技术则因其优异的脱氧能力，展现出更高的潜力。然而，催化剂的使用成本高、寿命有限，并且产物分离复杂，限制了其大规模应用。因此，寻找一种经济高效且环境友好的替代方案，成为当前研究的热点。共热解技术通过利用不同原料之间的协同作用，提高热解效率并优化产物分布，被认为是解决这些问题的有效路径。

A15作为一种具有强酸性的磺酸型离子交换树脂，因其在工业催化中的广泛应用而备受关注。其高交联结构赋予了它良好的机械强度和热稳定性，同时丰富的Br?nsted酸位点使其在有机反应中表现出优异的活性。尽管A15在催化领域具有显著优势，但其废弃后的处理方式尚未成熟，导致其在废弃物管理方面面临诸多难题。因此，开发一种清洁且高效的A15处理策略，不仅有助于减少环境污染，也为PET和A15的协同回收提供了可能。

本研究首次系统地探讨了PET与A15共热解过程中高价值单芳香烃（MAHs）的生成机制。通过Py-GC/MS和TG-MS等分析手段，确认了A15中的磺酸基团（–SO?H）是PET与A15之间协同作用的关键活性位点。这些活性位点在热解过程中能够有效促进PET单体的脱羧和加氢脱氧反应，从而显著提升MAHs的产率和选择性。实验结果表明，在10?°C/s的快速升温速率下，PET与A15（1:1）共热解在850°C条件下进行20秒，MAHs的产率达到了14.9 wt%，选择性高达55.2%。这一成果表明，共热解技术在提升PET热解产物质量方面具有巨大潜力。

从热力学角度分析，PET的热解温度通常较高，约为430°C，而通过引入A15的Br?nsted酸位点，PET的热解温度被显著降低至350°C。这说明酸性位点的引入能够有效降低PET热解的活化能，从而提高反应效率。进一步的热解动力学研究表明，共热解过程的平均活化能（Eα）相比理论预测值降低了42.2%，即从156.0 kJ/mol降至65.8 kJ/mol。这一结果表明，共热解不仅能够加速PET的分解过程，还能显著改变其热解反应的路径，使其更倾向于生成高价值的芳香烃产物。

PET的热解过程中，氢的缺乏是限制其生成芳香烃的主要因素之一。PET分子结构中含有大量的酯键，其热解过程中需要大量的氢来完成脱氧和加氢反应，以形成芳香环结构。然而，PET本身含有较少的氢，这使得其在热解过程中难以进行有效的分子间氢转移。因此，环境中的氢供应成为调控酸催化热解路径的关键因素。通过共热解技术引入A15，不仅能够提供额外的氢来源，还能通过其酸性位点促进PET单体的脱氧反应，从而提高芳香烃的产率。

A15的高交联结构和丰富的酸性位点，使其在热解过程中能够有效地与PET分子发生相互作用。这种相互作用不仅体现在物理混合上，更深入到分子层面的反应机制中。A15的酸性位点能够促进PET分子的断裂和重组，使其更易于生成芳香烃产物。此外，A15的热解过程本身也能够释放出一定量的氢气，这为PET的脱氧反应提供了额外的氢来源。这种协同效应使得PET和A15在共热解过程中能够实现更高效的产物生成，同时减少副产物的生成。

在实验过程中，研究人员对反应参数进行了系统的优化，包括原料配比、热解温度和升温速率等。结果显示，高升温速率是激活协同机制的必要条件。当升温速率超过10°C/min时，能够有效防止磺酸基团的过早释放，同时抑制A15的次级反应，从而保证PET和A15之间的协同作用得以充分发挥。此外，原料配比的优化也对产物分布产生了重要影响。当PET与A15的质量比为1:1时，MAHs的产率和选择性均达到最佳状态。这一发现为后续的工业化应用提供了重要的理论依据。

本研究不仅揭示了PET与A15共热解过程中生成高价值芳香烃的机理，还提出了一个基于酸性位点活化和加氢脱氧的多步骤协同机制。该机制能够解释PET和A15在热解过程中如何相互作用，从而优化产物分布和提高反应效率。此外，研究还强调了环境氢供应在酸催化热解路径中的关键作用，这为未来开发更高效的热解催化剂提供了新的方向。

PET与A15共热解技术的开发，不仅有助于解决PET废弃物处理的问题，还为A15的回收利用提供了新的途径。传统的A15处理方式往往存在成本高、效率低等问题，而通过与PET的共热解，可以实现两种废弃物的协同处理，提高整体资源利用效率。这一策略符合可持续发展的理念，能够有效减少塑料污染，同时推动循环经济的发展。此外，该技术的实施还能够降低对传统催化剂的依赖，减少催化剂成本和环境负担，为未来塑料废弃物的处理提供更加环保和经济的解决方案。

从实际应用角度来看，PET与A15共热解技术的推广需要考虑多个因素，包括反应条件的优化、设备的适应性以及产物的分离和纯化。快速热解技术虽然能够提高反应效率，但其设备投资较大，运行成本较高。因此，未来的研究需要进一步探索低成本、高效率的热解设备，以适应大规模工业应用的需求。此外，产物的分离和纯化也是实现该技术商业化的重要环节。高价值芳香烃的分离需要高效的分离技术和经济的后处理工艺，以确保最终产物的纯度和市场价值。

在政策层面，PET与A15共热解技术的推广还需要得到政府和相关机构的支持。通过制定相应的政策法规，鼓励企业和研究机构开展该技术的研究与应用，能够加速其产业化进程。同时，加强公众对塑料污染和资源回收的认识，提高社会对绿色技术的接受度，也是推动该技术广泛应用的重要条件。此外，国际合作在该技术的发展中同样不可或缺。通过与其他国家和地区的科研机构、企业以及政府合作，可以共享研究成果，推动技术标准的统一，加快全球范围内的应用推广。

综上所述，PET与A15共热解技术为塑料废弃物的回收利用提供了新的思路。通过引入A15的酸性位点，能够有效降低PET热解的活化能，提高产物的品质和产率。该技术不仅具有较高的经济效益，还符合全球可持续发展的目标，有助于减少塑料污染，推动循环经济的发展。未来的研究需要进一步优化反应条件，探索低成本高效的热解设备，并加强政策支持和国际合作，以实现该技术的全面推广和应用。