微波辅助催化裂解塑料废弃物：Fe/HZSM-5协同低阶煤高效制备轻质燃料的研究

为解决塑料污染和能源短缺问题，研究人员通过微波辅助催化裂解（MAP）技术，结合低阶煤（LRC）吸波剂与Fe/HZSM-5催化剂，将PS、PP、PE转化为高附加值轻质燃料。结果表明，该系统显著提升油品质量（°API>35，热值>50 MJ/kg），为塑料资源化提供了高效低碳路径。

　　

全球每年产生超过3.9亿吨塑料废弃物，其中印尼贡献约680万吨，主要成分为聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）。这些材料在自然环境中难以降解，传统填埋和焚烧处理又面临效率低、二次污染等问题。与此同时，化石燃料的持续消耗促使人们寻找替代能源。在此背景下，将塑料废弃物转化为高价值燃料的微波辅助催化裂解技术（Microwave-Assisted Pyrolysis, MAP）成为研究热点。然而，常规裂解存在传热效率低、能耗高、产物选择性差等瓶颈。

Trisna Kumala Dhaniswara团队在《Sustainable Chemistry for Climate Action》发表的研究中，创新性地将低阶煤（Low-Rank Coal, LRC）作为微波吸波剂，结合铁（Fe）改性的HZSM-5沸石催化剂，构建了高效MAP反应体系。通过系统优化微波功率（300-800 W）和反应时间（30-180分钟），实现了三种塑料的高选择性转化。

研究采用四项关键技术：

1. 1.

   多级分馏系统：配备四层塔板的蒸馏柱分离不同沸点组分

2. 2.

   催化表征：湿法浸渍制备Fe/HZSM-5催化剂，500°C焙烧活化

3. 3.

   产物分析：GC-MS鉴定烃类组成，FTIR分析官能团，弹式量热仪测定热值

4. 4.

   过程监控：2.45 GHz微波反应器实时测温，氮气氛围控制裂解环境

研究结果揭示以下重要发现：

3.1 原料特性分析

塑料（PS/PP/PE）挥发分高达96-98%，而LRC含43.56%挥发分和39.82%固定碳，兼具吸波与共反应功能。

3.2 温度动力学

800 W下PE裂解温度达780-820°C，显著高于PS（600-650°C），归因于熔融PE与LRC更佳的热接触。

3.3 催化剂性能

Fe/HZSM-5使PS油产率提升至52%，较非催化体系提高24%，反应活性序列为PS > PP > PE。

3.7 API重力提升

Fe催化使PP衍生油的°API达38（超轻油标准），PE油也突破35，符合车用燃料要求。

3.9 能量密度突破

PE油热值超50 MJ/kg，GC-MS显示其富含正构烷烃（C₉-C₁₂），而PS油中苯系物占比45%。

3.10 分子特征

FTIR证实PS油以芳香C=C键为主（1600 cm^-1），PE油则呈现显著脂肪族特征（2850-2950 cm^-1）。

结论与意义

该研究开创性地实现了三重协同效应：LRC的快速吸波传热、HZSM-5的酸性裂解、Fe的氧化还原催化共同作用，使塑料裂解产物达到ASTM D975柴油标准。特别值得注意的是，Fe物种不仅作为催化剂促进脱氢芳构化，其微波敏感特性还创造了局部热点，使能量效率提升30%以上。

技术经济分析显示，该工艺处理混合塑料废弃物时，每吨原料可产出650-720升燃料油，较传统热裂解节能40%。未来通过连续流反应器放大和二元/三元共混物研究，有望建成日处理50吨塑料的示范装置，为"无废城市"建设提供关键技术支撑。研究团队特别指出，该技术路线完美契合印尼等煤炭资源丰富地区的发展需求，既可消纳塑料垃圾，又能利用本地低阶煤资源，形成"塑料-煤共转化"的循环经济新模式。