《RSC Sustainability》：Sustainable valorization of real polyurethane mattress waste via a novel multistage thermochemical approach
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本研究探索了热解作为一种可持续的路线，用于处理和增值化基于聚氨酯（PU）的床垫废弃物，这是城市垃圾填埋场积累的主要贡献者。研究提供了对所生成产物的组成和性质的全面评估。通过原位热重分析/傅里叶变换红外光谱-质谱联用（TGA/FTIR-MS）方案和气相色谱（GC
本研究探索了热解作为一种可持续的路线，用于处理和增值化基于聚氨酯（PU）的床垫废弃物，这是城市垃圾填埋场积累的主要贡献者。研究提供了对所生成产物的组成和性质的全面评估。通过原位热重分析/傅里叶变换红外光谱-质谱联用（TGA/FTIR-MS）方案和气相色谱（GC）研究的气相组分被发现富含甲烷（CH4）、氨（NH3）、氢（H2）和二氧化碳（CO2），突出了化学合成和能源生产的机会，特别是通过合成气（syngas）生成。通过气相色谱-质谱联用（GC-MS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征的液相组分含有广泛的含氧化合物、芳烃和烃类；模拟蒸馏进一步揭示了其在炼油和化学制造中的巨大潜力。对固相组分（X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、N2物理吸附和元素分析）的详细分析显示了一种富含碳的材料，具有作为吸附剂或固体燃料的有前景的应用。重要的是，该组分与液体产物一起，通过机械化学方法成功用作制备钴基催化剂的原料，用于第二步，这使得产生的气流与使用商业碳制备的参考催化剂相比具有竞争性能。
本研究针对全球塑料消费增长导致的聚氨酯（PU）床垫废弃物大量填埋问题，探究了热解作为一种可持续的废弃物处理与增值化路径。PU材料广泛应用于床垫等产品，但现有回收技术（如机械回收、化学回收）受限于原料纯度、溶剂需求或操作复杂性，而热化学方法（如热解）因处理混合和污染废物流的灵活性备受关注。然而，已有研究多集中于单一产物分析或纯PU模型化合物，对真实废弃床垫（含多层结构、涂层等）的热解产物全面表征及低价值馏分（液相和固相）的闭环增值利用尚缺系统评估。为填补这一空白，研究人员从西班牙格拉纳达（Granada）市的城市固废填埋场（Ecocentral）采集真实PU床垫废弃物样品，开展了一项综合研究，旨在通过热解实现全馏分的高效转化，并探索低价值馏分作为催化剂前驱体的创新途径。研究结论表明，在优化条件（525°C、13.1°C min
?1、60 min）下，热解可产生12.6 wt%固相、55.1 wt%液相和32.3 wt%气相；气相富含H
2、CH
4、CO
2和NH
3，具有合成气和化工原料潜力；液相含含氧化合物、芳烃等，模拟蒸馏显示类似石油炼制馏分（汽油馏分23.8%、轻循环油27.4%、重循环油48.8%）；固相为富碳材料（73.0% C、13.0% N），但比表面积低（2.2 m
2 g
?1）。更重要的是，研究人员将液相和固相通过机械化学法（无溶剂球磨）制备成钴掺杂的氮（N）和硫（S）富集碳催化剂，用于气相第二步催化升级，使H
2浓度从18 vol%提升至42.5 vol%（650°C），性能与商业碳负载钴催化剂相当，且CO
2排放更低，实现了全馏分的增值化。该论文发表在《RSC Sustainability》上，为聚氨酯废弃物闭环处理提供了可扩展的绿色工艺。
**主要关键技术方法**（不超过250字）：
研究人员采用固定床管式反应器进行热解实验，通过Box-Behnken实验设计优化温度（400–600°C）、升温速率（5–15°C min
?1）和停留时间（30–90 min），以确定最大H
2产率条件（525°C、13.1°C min
?1、60 min）。产物分析中，气相采用原位TGA/FTIR-MS和GC监测实时组成；液相通过GC-MS、FTIR和模拟蒸馏（ASTM D2887）进行化合物鉴定和沸点分布；固相通过XRD、XPS、N
2物理吸附和元素分析表征。催化剂制备采用振动球磨机械化学法，将热解固相（炭）和液相与硝酸钴（Co(NO
3)
2·6H
2O）混合，经球磨20 min、煅烧350°C得到Co
3O
4纳米颗粒负载的N、O、S掺杂碳催化剂。催化性能测试在二级固定床反应器中进行，温度分别为525°C、650°C和750°C。样本来源于西班牙格拉纳达Ecocentral垃圾处理厂的真实废弃床垫（主要含PU、PET和PP涂层）。
**研究结果**：
**3.1 热解实验（Pyrolysis experiments）**：
通过对比四种PU泡沫样品（PUA、PUB1、PUB2、PUB3）和两种涂层样品（CA、CB）的热解产物分布，发现PU样品平均产率：固相12.6 wt%、液相55.1 wt%、气相32.3 wt%。涂层样品（含PU、PET、PP）因聚合物结构更稳定，固相产率升至23.5 wt%，液相降至39.1 wt%。温度影响实验表明，在525°C下（基于Box-Behnken设计优化），固相产率显著减少，且H
2浓度达到最大值。
**3.2 气相组分（Gas fraction）**：
通过GC分析非冷凝气体，主要产物为CH
4（38.7 mol%）、CO
2（22.8 mol%）和H
2（18.2 mol%），另有少量C
2–C
3烃类和NH
3。原位TGA/FTIR-MS监测显示，气体主要在350–450°C生成，CO
2最先释放（对应约30.1%质量损失），随后是CH
4、CO和NH
3。FTIR谱图确认了CO
2、酯/酸酐、异氰酸酯（–NCO）和醇等中间产物的生成，与MS结果一致。
**3.3 液相和固相组分（Liquid fraction and solid fraction）**：
液相GC-MS和FTIR分析表明，其含羟基、胺基、羰基、芳环等官能团，化合物包括苯乙酸、环辛四烯类等。模拟蒸馏显示：23.8%为汽油馏分，27.4%为轻循环油（LCO），48.8%为重循环油（HCO），具体馏分包括轻石脑油（5.2%）、中石脑油（2.6%）、重石脑油（13.8%）、煤油（11.2%）、馏分燃料油（18.8%）、轻质真空瓦斯油（33.5%）、重质真空瓦斯油（14.9%）。元素分析：C 56.1%、H 7.91%、N 4.67%、S 0.01%。固相XRD显示钙钛矿（方解石）存在；N
2吸附等温线为III型，比表面积仅2.2 m
2 g
?1；XPS表明表面含sp
3碳、C–O、羧基、酰胺和吡啶氮等。
**3.4 产物的增值化与气流性能提升（Valorization of fractions and enhancement of the properties of the gas stream）**：
为解决液相和固相中N、S杂原子限制直接应用的问题，研究人员利用机械化学法制备了Co
3O
4纳米颗粒修饰的N、O、S掺杂碳催化剂（比表面积40 m
2 g
?1）。STEM和EDX显示C、N、O均匀分布，Co和S集中于表面边缘。催化性能测试（第二步，温度525–750°C）表明：在650°C下，H
2浓度从18 vol%升至42.5 vol%，CO
2降至18.7 vol%，CO增至20.0 vol%，CH
4降至15.6 vol%，NH
3和C
2–C
3几乎完全分解。与参考催化剂Co/C（商业碳+Co）和Pt/C（商业碳+Pt）相比，该废弃衍生催化剂H
2产率与Co/C相当（仅相差1.3倍，对比Pt/C），且CO
2排放更低。经济性分析指出，热解成本（约132 �/吨）低于气化、醇解等工艺，且机械化学法无溶剂特点进一步降低操作成本，符合欧盟垃圾填埋税（40–100 �/吨）背景下循环经济需求。
**总结讨论与研究结论**：
讨论部分指出，尽管实验室规模热解实验未完全考量传质传热限制和长期稳定性，液相和固相中的N、S杂原子对直接炼油应用构成挑战，但本研究提出的将低价值馏分转化为催化材料的方案为闭环增值提供了可行途径。催化性能虽与贵金属催化剂有差距，但已具备竞争力，且机械化学法具有绿色可扩展优势。研究结论翻译如下：
该工作提出了一种两步增值化策略，用于处理主要由膨胀聚氨酯及少量聚合物和纺织层组成的废弃床垫，整合了热解和所得气流的催化升级。热解被证明是转化这些复杂残留物的有效途径，在525°C下产生12.6 wt%固相、55.1 wt%液相和32.3 wt%气相。液相组分元素分析显示C 56.1%、H 7.91%、N 4.67%、S 0.01%；模拟蒸馏揭示23.8%对应汽油馏分、27.4%对应轻循环油（LCO）、48.8%对应重循环油（HCO）。固相（炭）组分含73.0% C、3.3% H、13.0% N、0.02% S，碳含量丰富。在所有馏分中，气体产物（主要含CH
4、CO
2、H
2和NH
3）显示出最高的即时增值潜力。为进一步提升整体效率，液相和固相被成功再利用为前驱体，制备了掺杂O和N、表面装饰有Co
3O
4纳米颗粒的碳质催化材料，所得催化剂比表面积为40 m
2 g
?1。催化升级热解气体显著改善了气体质量，在650°C下将H
2浓度从18 vol%提升至42.5 vol%，同时减少CO
2、NH
3和轻烃，使组成向合成气混合物转变。重要的是，来自热解馏分的衍生催化剂表现出与使用商业碳载体制备的参考Co/C催化剂相当的催化性能，且仅略低于Pt/C，同时产生更低的CO
2排放。
