塑料废弃物制氢技术综述：从热化学到新兴转化路径

《International Journal of Hydrogen Energy》：Hydrogen production from plastic waste processing: A review

本综述聚焦塑料污染与低碳氢能需求，系统评述了热化学法（PCSR、PCDR、PCOSR、PPCR、MAP）与新兴技术（PR、ER、FJH）将塑料废弃物转化为H2的路径，分析了H2产率、气体组成及操作参数影响，并评估了PSA与膜分离纯化工艺，为塑料制氢技术规模化与循环H2经济提供关键见解。

　　

塑料，这种曾经被誉为20世纪最伟大发明之一的材料，如今却成为全球环境治理的难题。从包装袋到医疗器械，从汽车零部件到建筑材料，塑料以其轻便、耐用、成本低廉的特性渗透到现代生活的方方面面。然而，随着全球塑料产量从1950年的150万吨猛增至2023年的4.138亿吨，塑料废弃物的处理问题日益严峻。2019年，全球产生了3.53亿吨塑料废弃物，但仅有9%被回收利用，19%被焚烧，50%进入填埋场，还有22%被随意丢弃或进入自然环境。更令人担忧的是，塑料生产和使用过程中产生的温室气体占全球排放量的3.4%，而进入河流和海洋的塑料废弃物对生态系统造成了长期负担。

面对这一挑战，将塑料废弃物转化为有价值的能源产品成为研究热点。其中，氢气（H₂）作为一种清洁能源载体，具有能量密度高、燃烧产物仅为水等优点，被认为是未来能源体系的重要组成部分。将塑料废弃物转化为氢气，不仅能够解决塑料污染问题，还能为低碳能源供应提供新途径，实现"变废为宝"的双重效益。

在这篇发表在《International Journal of Hydrogen Energy》上的综述文章中，来自西班牙坎塔布里亚大学的Muhammad Salman等研究人员系统梳理了塑料废弃物制氢的技术路径。他们详细分析了热化学方法（如热解催化蒸汽重整PCSR、热解催化干重整PCDR、热解催化氧化蒸汽重整PCOSR、热解等离子体催化重整PPCR和微波辅助热解MAP）以及新兴技术（如光重整PR、电重整ER和闪速焦耳加热FJH）的原理、特点和性能。同时，对氢气纯化技术（如变压吸附PSA和膜分离）进行了评估，为塑料制氢技术的工业化应用提供了全面参考。

研究人员主要采用了文献调研与数据分析方法，系统收集和比较了不同技术路线的实验数据，包括反应条件、催化剂类型、产物分布和气体组成等。通过对比分析，评估了各技术的优缺点、适用场景和发展潜力。

热化学转化路径展示出良好的工业化前景。其中，热解催化蒸汽重整（PCSR）在600-1000°C条件下，使用Ni基等催化剂，可实现56-211 mmol/g塑料的H₂产率，氢气纯度达36.1-72.7 vol%。该技术已进入中试阶段，如英国PowerHouse Energy公司开发的系统可日处理25吨塑料，产氢约1吨。热解催化干重整（PCDR）利用CO₂作为重整剂，特别适合处理富含CO₂的工业废气，但产生的合成气中H₂/CO比较低（约1：1），更适合用于合成其他化学品。

新兴技术虽然在温和条件下运行，但目前仍处于实验室研究阶段。光重整（PR）在5-70°C的低温条件下，利用太阳能驱动反应，可获得高纯度氢气，但产率较低（0.0194-64 mmol g^-1h^-1）。电重整（ER）在室温下通过电化学反应将塑料转化为氢气和有价值化学品，如从PET中可获得16.9 g H₂/kg塑料，同时产生甲酸和对苯二甲酸等副产品。闪速焦耳加热（FJH）技术通过快速升温（约3100K）在秒级时间内将塑料转化为氢气和高纯度石墨烯，产氢量达10-46.6 mmol/g，纯度56-94%。

产物分布分析显示，不同技术路线的固、液、气三相产物比例差异显著。热化学方法通常产生较多的固体残渣（炭和焦炭，0-10 wt%）和液体产品（烃类油，0-76.3 wt%），而PR和ER主要生成高纯度氢气和有机化学品。气体产物中除氢气外，通常含有CO、CO₂、CH₄和轻质烃类等组分，需要进一步纯化才能满足应用需求。

氢气纯化是实现塑料制氢技术商业化应用的关键环节。变压吸附（PSA）技术成熟，可生产纯度高于99.99 vol%的氢气，但能耗较高。膜分离技术具有能耗低、设备紧凑等优点，但处理含CO等杂质的气体时性能会受影响。针对塑料制氢过程中气体组成的特点（CO含量可能高达36 vol%），需要开发专用的纯化工艺和材料。

研究结论表明，塑料废弃物制氢技术具有显著的环境和能源效益，但面临催化剂失活、能量效率、工艺集成和经济可行性等挑战。热化学路径特别是PCSR和PCDR已显示出较好的规模化前景，而新兴技术如PR、ER和FJH虽然条件温和，但产率和处理能力仍需提升。未来研究应关注催化剂设计、工艺优化、系统集成以及全生命周期评估，推动塑料制氢技术向工业化应用迈进。

这项研究的重要意义在于为塑料废弃物资源化利用提供了系统技术路线图，将环境治理与清洁能源生产有机结合，符合循环经济和碳中和的发展方向。通过技术创新和系统优化，塑料制氢有望成为未来氢能供应和废弃物管理的重要组成部分，为实现可持续发展目标提供有力支撑。