废轮胎与塑料废弃物共热解协同转化机制及产物调控研究

针对废轮胎(WT)和塑料废弃物(PE/PP/PET)热解产物经济价值低、反应温度高等问题，研究人员通过TGA-IR-GCMS联用技术和COMSOL模拟，系统探究了共热解协同效应。结果表明塑料添加可显著提升BTX(苯系物)产率(最高35%)并降低反应温度，为废橡胶-塑料协同资源化提供了新策略。

　　

全球每年产生约10亿条废轮胎(WT)，其难降解的橡胶结构和热稳定性导致堆积如山。传统焚烧处理会释放多环芳烃(PAHs)等有毒物质，而单独热解虽能回收碳黑和烃类，但产物中高硫、高芳烃含量降低了经济价值。与此同时，聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等塑料废弃物同样面临严峻的处理压力。有趣的是，这些塑料与废轮胎常在垃圾处理场共存，但二者协同热解的分子机制和产物调控规律尚不明确。

为破解这一难题，Ahmad Yaghi团队在《Sustainable Chemistry and Pharmacy》发表研究，创新性地采用TGA-IR-GCMS在线联用技术，结合COMSOL多物理场模拟，揭示了塑料添加剂对WT热解路径的调控机制。研究人员首先将WT与三种塑料按1:1混合，通过热重分析(TGA)发现PE/PP可使热解起始温度降低20°C至330°C，PET则促进碳黑残留量减少。傅里叶红外光谱(FTIR)捕获到关键中间体：PE/PP贡献的C-H伸缩振动(2870 cm^-1)和PET特有的C=O伸缩(1720 cm^-1)，这些基团与WT裂解产生的D-柠檬烯(C₁₀H₁₆)发生二次反应。

气相色谱-质谱(GC-MS)数据证实，PE/PP通过提供烷基自由基使苯系物(BTX)产率提升至28%，而PET的酯基则促进苯衍生物选择性生成(35%)。COMSOL模型模拟显示，280°C的传输线温度可有效防止产物冷凝，确保苯(0.4 mol/m³)和甲苯(0.2 mol/m³)的完整检测。

关键技术方法包括：1) TGA在N₂氛围下以10°C/min升温至800°C分析热稳定性；2) FTIR在400-4000 cm^-1范围追踪官能团演变；3) GC-MS通过HP-5MS-UI柱分离鉴定产物；4) COMSOL建立三维传热-传质耦合模型。

主要研究发现：

1. 1.

   温度依赖性降解：DTGA曲线显示纯WT需450°C分解，而PE/WT混合物在480°C出现尖锐峰，表明塑料加速橡胶链断裂。

2. 2.

   红外谱学特征：PET添加导致2350 cm^-1处CO₂特征峰增强，证实其脱羧作用促进芳构化。

3. 3.

   产物演化规律：GC-MS色谱图中，PE使D-柠檬烯峰(保留时间9.8 min)强度降低60%，同步出现苯峰(6.2 min)。

4. 4.

   反应路径推演：PP降解产生的甲基自由基与SBR衍生物结合，形成1,2,3-三甲基苯等烷基苯。

这项研究为废轮胎-塑料协同资源化提供了分子层面的理论支撑：PE/PP通过氢转移反应提升油品质量，PET则通过氧杂原子调控产物选择性。未来通过Ni-Mo/Al₂O₃催化剂进行加氢脱氧(HDO)，可进一步去除酚类杂质。该技术符合可持续发展目标(SDG 7/11/13)，有望将垃圾填埋场中的混合废弃物转化为高附加值化学品，实现"变废为宝"的循环经济模式。