酸性粘土催化剂结合预降解方法提升聚乙烯和聚丙烯催化热解效率的研究

为解决塑料废弃物环境污染及资源化利用问题，研究人员采用预降解预处理方法，结合酸性粘土催化剂（APC/K10/K30）开展聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）催化热解研究。结果表明，预降解法在150°C和10分钟条件下显著提高液体产物收率（最高89.5%），降低焦炭生成（最低0.5%），并通过TGA分析证实焦炭组分更易挥发。该研究为塑料废弃物高效转化为燃料提供了可持续的工业化路径。

　　

塑料污染已成为全球性环境危机，每年约4亿吨塑料废弃物中仅7%被回收。聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）作为主要塑料类型，其传统处理方式面临能量消耗高、产物选择性差等问题。催化热解技术虽能将塑料转化为燃料，但现有催化剂如沸石成本高昂且易因焦炭沉积失活。更棘手的是，工业级塑料颗粒因高粘度导致与催化剂接触不充分，极大限制了反应效率。如何通过简单预处理提升大尺寸塑料的催化转化效率，成为实现规模化应用的关键瓶颈。

来自伦敦大学学院的Ishaka Mohammed和George Manos团队在《Fuel》发表研究，通过设计预降解预处理工艺，系统优化了粘土催化剂对塑料颗粒的催化热解过程。研究采用半间歇式热解反应器结合气相色谱（GC）分析液体产物，并利用热重分析（TGA）表征焦炭组分。通过对比蒙脱土（K10/K30）和铝柱撑粘土（APC）的性能，明确了不同聚合物结构与催化剂酸性位点的协同机制。

预降解参数优化揭示温度-时间平衡效应
在723K反应温度下，预降解预处理（150°C/10min）使lldPE的液体收率从75%提升至89.5%，焦炭收率从4%降至1%。温度超过150°C会导致轻组分挥发损失，而延长预处理时间（5-20min）可促进焦炭组分向易挥发的"软焦炭"转化。TGA显示预降解样品中软焦炭占比达73%，其挥发起始温度比常规混合样品低200°C。

催化剂结构与聚合物构效关系解析
铝柱撑粘土（APC）因其双模态孔结构和强布朗斯特酸性，对线性聚乙烯（hdPE/lldPE）表现出最优活性，液体产物中汽油馏分（C₅-C₉）占比达60%。而具有更多介孔的K30催化剂更适用于支化聚合物（ldPE/PP），可提高柴油馏分（C₉-C₁₄）选择性。值得注意的是，PP在部分熔融状态下仍能通过预降解改善接触效率，说明该方法对高熔点塑料具有普适性。

焦炭演化机制与催化剂再生潜力
通过TGA-DSC联用技术，研究发现预降解形成的焦炭中70%可在氮气氛围下低温脱除（<500°C），而常规混合样品需氧化燃烧去除。这种"软焦炭"具有氢碳比高、芳构化程度低的特点，使催化剂再生能耗降低60%。结合10 mL_N/min载气流量优化，可进一步抑制二次反应导致的焦炭沉积。

该研究通过创新的预降解方法，突破了塑料颗粒催化热解的传质限制，建立了"温和酸性催化-可控焦炭管理"的技术体系。相比传统沸石催化剂，粘土材料成本降低80%的同时，液体燃料收率提高15-20%。特别值得注意的是，预降解过程中机械搅拌与热处理的协同作用，为工业反应器设计提供了新思路。未来通过调控柱撑粘土的层间距与酸强度，有望实现塑料废弃物到特定馏分燃料的精准转化。