经济可行的原位赤泥催化实现混合塑料废弃物高值化循环利用制备碳纳米管用于净负碳排放水泥

《One Earth》：In situ bauxite residue catalysis enables profitable mixed plastic waste upcycling into carbon nanotubes for net-negative emission cement

　　

服务于社会的科学

现代社会依赖于功能性材料，而其环境负担日益难以忽视。塑料废弃物在生态系统中不断积累，铝土矿精炼产生的数亿吨赤泥基本未被利用，水泥生产更是贡献了全球二氧化碳（CO₂）排放量的相当大份额。然而，这些挑战往往被分别应对，限制了跨系统协同效益的机会。由于塑料富含碳，而赤泥中含有具有催化潜力的金属氧化物，一个引人入胜的问题随之浮现：能否将这两种废弃物流耦合起来，以实现兼具环境和经济效益的水泥生产？通过开发一个将赤泥直接用作催化剂的集成平台，我们证明难以回收的聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）及其混合物可以被升级再造为高品质的纳米结构水泥添加剂。该策略避免了昂贵工程催化剂的需求，也无需将塑料衍生的碳纳米管从催化材料中分离，从而实现水泥生产的生命周期净负排放及经济效益。我们的集成平台提供了一种新颖且实用的循环解决方案，将废弃物管理与低碳建筑材料生产联系起来。

亮点

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赤泥催化的塑料解聚产生26.4 mmol/g_plastic H₂和391 mg/g_plastic碳纳米管（CNTs）

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0.1% CNTs/RM通过CNTs的双重功能使水泥强度提升39.3%

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获得了具有经济效益的负排放水泥

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为废弃物升级再造和水泥脱碳提供了闭环解决方案

摘要

塑料废弃物、铝土矿赤泥和高排放水泥生产是严峻的环境挑战。尽管已有多种尝试，但一种同时解决这三者、兼具环境与经济效益的集成解决方案仍面临重大挑战。在此，我们开发了一种集成方法，利用铝土矿赤泥（红泥，RM）作为催化桥梁，将混合塑料废弃物（聚乙烯[PE]、聚丙烯[PP]和聚苯乙烯[PS]）升级再造为水泥添加剂。在850°C的赤泥催化热解过程中，铁的氧化物原位还原生成活性Fe⁰/Fe₃C物种，产生391 mg/g_plastic碳纳米管（CNTs），同时副产26.4 mmol/g_plastic H₂。仅需在水泥中添加0.1 wt%的CNTs，即可使抗压强度提高39.3%，水泥用量降低4.8%–5.8%，这主要归功于孔隙填充、水化增强以及由赤泥中Fe/Al形成的CNT-水化铝酸钙（AFt）网络互锁效应。该工艺实现了净负温室气体排放（?5.3 ～ ?6.8 t/t_plastic），利润约为$169.1/t_plastic，提供了一种实用的循环解决方案，将混合塑料废物流转化为低碳建筑材料。

图形摘要