包装废弃物两段式热解制氢工艺优化与反应机理研究

为解决塑料废弃物污染和资源化难题，爱沙尼亚塔林理工大学团队创新性开发了两段式热解技术。该研究通过低温热解（460-540°C）结合高温裂解（600-1000°C）的碳基质催化体系，实现包装废弃物（PW）高效转化为富氢合成气（H2含量达71.3vol%），同时获得高碳材料（碳含量94.8wt%）。研究成果发表于《Waste Management》，为不可回收包装废弃物的循环经济处理提供了新方案。

　　

全球每年产生超过4亿吨塑料废弃物，其中不可回收的复合包装材料因难以机械分选，约60%最终被填埋或焚烧，不仅造成资源浪费，还导致大量CO₂排放。欧盟最新数据显示，2022年仅有26.9%的塑料包装被回收利用。面对这一严峻挑战，爱沙尼亚塔林理工大学（Tallinn University of Technology, TalTech Virumaa College）的研究团队在《Waste Management》发表重要研究成果，开发出创新的两段式热解技术，将混合包装废弃物转化为高附加值产物。

研究团队采用热重分析（TGA）结合气相色谱技术，系统考察了包装废弃物在5-20°C/min升温速率下的热分解动力学，并通过自主设计的双反应器系统（包含316不锈钢热解反应器和310S不锈钢裂解反应器）开展实验。研究选用爱沙尼亚Türi市收集的实际包装废弃物为原料，其含21.3wt%高密度聚乙烯（HD-PE）、17.1wt%聚丙烯（PP）及42.1wt%纸基材料，通过元素分析、FTIR光谱和BET比表面积测试等手段对原料及产物进行表征。

在"材料特性"部分，热重分析揭示包装废弃物呈现三阶段分解：250-370°C纤维素分解（活化能165kJ/mol）、370-490°C塑料分解（活化能255kJ/mol）和640-710°C碳酸盐分解。通过Ozawa-Flynn-Wall和Kissinger-Akahira-Sunose两种动力学模型验证，发现第二阶段的较高活化能说明塑料分解需要更强热输入。

"两段式热解系统"结果显示，当热解温度540°C、裂解温度1000°C、包装废弃物与木炭质量比1:6时，合成气中H₂含量达71.3vol%，每吨废弃物可产859m³氢气。相比传统气化技术，该工艺无需氧气/蒸汽输入，且CO₂排放量降低1.5倍。值得注意的是，木炭作为碳基质展现出优于椰壳炭的催化性能，能将CH₄含量从12.2vol%降至5.6vol%。

"孔隙特性评估"通过氮气吸附测试发现，反应后木炭比表面积从292.8m²/g锐减至16.7m²/g，SEM显示其表面形成致密热解碳层。尽管催化活性随循环次数下降（第7次循环后H₂产率从69.8vol%降至56.4vol%），但反应后的高碳材料（碳含量94.8wt%）可作为优质隔热材料实现二次利用。

研究结论指出，这种两段式热解技术通过碳基质介导的蒸汽重整（C+H₂O→CO+H₂）和布杜反应（C+CO₂→2CO），不仅实现70vol%以上的氢转化率，还同步解决传统工艺中焦油生成的难题。该技术为混合包装废弃物的资源化提供了新思路，其产出的富氢合成气（H₂/CO比2.4:1-3.0:1）可直接用于甲醇合成，具有显著的工业应用前景。未来研究可进一步优化碳基质再生工艺，提升催化稳定性，推动该技术向规模化发展。