利用低成本蒙脱石对聚丙烯热解产物进行催化升级

《Process Safety and Environmental Protection》：Catalytic upgrading of polypropylene pyrolysis products using low-cost montmorillonite

　　

摘要

聚丙烯废料的快速积累给环境治理和资源回收带来了巨大挑战。本研究通过在500℃下的流化床反应器中，采用无催化剂和蒙脱石催化的裂解方法，对废弃塑料椅子中的聚丙烯废料进行转化利用。研究人员对裂解产生的油、气、炭三种产物进行了全面分析，以探究煅烧后的蒙脱石在产品分布、成分及质量方面的作用。初步分析和热值测定表明，与无催化剂处理的炭相比，催化裂解得到的炭的高热值显著降低（17.89 MJ/kg vs 33.82 MJ/kg），这说明高能量密度烃类发生了更强烈的裂解和挥发反应。XRF和TGA分析则显示，由于含有黏土衍生的无机物相，催化处理的炭矿物含量增加，热稳定性也得到提升。对裂解油的物理化学特性分析表明，蒙脱石提升了燃烧的清洁度，表现为烟点升高（15毫米），但降低了点火性能，辛烷值从53.78降至40.23。GC–MS分析结果显示，催化裂解促进了烃类的多样化，增加了汽油组分，并推动了异构化和芳香化反应。气相分析显示，在催化条件下，不饱和烃和氢气的产量明显上升，1,3-丁二烯、烯丙烃和氢气的产量分别达到17.91%、13.43%和7.96%。这些研究结果表明，蒙脱石是一种高效、低成本且环保的催化剂，有助于将聚丙烯裂解为更高价值的液态和气态烃类，为在循环经济框架下实现塑料废料的可持续利用提供了有力支持。

引言

21世纪，塑料废物管理已成为一项重要的环境问题，其主要原因是塑料废物在海洋、垃圾场以及自然生态系统中的大量堆积（Mangesh等人，2020年）。由于其耐用性、重量轻、耐化学性以及较低的制造成本，塑料在家庭、商业和工业领域得到了广泛应用。尤其是塑料包装，因其节能、强度高且成本低，仍比玻璃或金属包装更受欢迎（Venkatesan等人，2018年）。然而，塑料不可生物降解的特性以及大量废弃处理的问题，给当地和全球的生态环境带来了日益严重的威胁（Torres Tovar等人，2024年）。

2020年全球塑料产量达到了3.67亿吨，预计到2050年这一数字还将超过5亿吨（Chang，2023年）。令人担忧的是，目前只有约12%的塑料废物被回收，9%被焚烧，其余大部分则堆积在陆地和海洋环境中（Mangesh等人，2020年）。预计到2025年，全球每年产生的塑料废物量将达到约2亿吨，这一数值与2002年的总塑料产量相当，而且预计到2030年还将上升至3亿吨，2050年则达到3.8亿吨（Yan等人，2024年）。

聚丙烯是一种低成本的热塑性聚合物，也是聚烯烃家族中产量最大的通用聚合物之一。它具有密度低、硬度高以及优异的耐热性，这得益于其较高的熔点（Hossain等人，2024年）。聚丙烯约占全球聚合物市场的26%，因此也是全球塑料废物产生的主要来源之一。鉴于其庞大的生产规模以及较低的回收率，每年都有数百万吨的聚丙烯废料被丢弃，从而加剧了垃圾填埋场的负担和环境污染。随着聚丙烯废料量的不断增加，人们更加需要可持续的废物管理策略，既能减少环境问题，又能从废弃塑料中回收价值。因此，通过催化升级技术将聚丙烯废料转化为高附加值产品，逐渐成为研究人员和政策制定者关注的焦点，被视为实现资源回收和推动循环经济发展的有效途径（Nisar等人，2022年；Soni等人，2021年）。

在无氧条件下，裂解技术已被证明是將聚丙烯废料转化为液态烃类、非凝缩性气体以及固体炭的有效方法（Hegedüs等人，2024年）。液态产物可作为化工原料或能源载体，气态产物可用于提供工艺热能或发电，而固体炭则可进一步加工成煤球等制品加以利用（Hegedüs等人，2024年；Yang等人，2022年）。产品的产率和性能受温度、加热速率、停留时间、反应器结构以及催化剂存在等因素的影响（Maqsood等人，2021年；Calero等人，2023年）。值得注意的是，催化裂解能够提高产品选择性，降低反应强度，同时促进裂解、异构化和芳香化反应，从而有利于生成油和气，而非炭。正因如此，催化裂解技术越来越被视为在循环经济框架下解决塑料废物问题的可行方法（Adekayero等人，2025年）。

要实现从废物到资源的转变，不仅需要能够从塑料废物中回收价值的技术，还需要使用可持续且具有经济效益的加工材料（Dennison等人，2025年）。在这方面，流化床反应器相比传统技术具有诸多优势，比如能够优化热条件，提升热量传递和温度分布，提高产品质量和产率，具备工业化应用的可行性，还能灵活处理多种不同的原料，而这些都是实现高效塑料降解的关键因素（Lee等人，2023年；Cocco和Chew，2024年；Trochimczyk和Krawczyk，2026年）。此外，催化-流化裂解的协同作用能够使塑料蒸汽与催化剂颗粒持续接触，进而提升裂解效率和产品选择性。这种一体化方法不仅能最大限度地实现资源和能源的回收，还能通过为塑料废物管理提供可持续的解决方案，同时产出有价值的产品和资源，从而契合循环经济的发展理念（Dennison等人，2025年）。

尽管关于聚丙烯催化裂解的研究已经很多，但很少有研究探讨天然存在的蒙脱石催化剂在流化床系统中的应用，同时也对所有裂解产物进行全面的分析。现有的大多数研究主要集中在使用商用沸石或流化催化裂化催化剂来提高液态油或气体的产率，往往没有对所有裂解产物进行彻底的分析，这就限制了人们对整个工艺效率以及价值回收途径的理解（Aisien等人，2021年；Eldahshory等人，2023年）。另外，许多合成催化剂，如沸石和金属氧化物，存在生产成本高、稳定性差、可能对环境造成危害以及容易失活等问题，这些都制约了它们的规模化应用和工业实用性（Eldahshory等人，2023年）。目前，针对那些成本低、储量丰富，同时能够提高烃类选择性且符合可持续发展目标的催化剂，还缺乏系统的研究（Qin等人，2025年）。值得一提的是，蒙脱石黏土因其储量丰富、环保无害以及易于改性，被认为是一种具有发展潜力的绿色且成本较低的催化材料（Adekayero等人，2025年）。

本研究旨在探讨在流化床反应系统中，使用煅烧后的蒙脱石作为低成本催化剂，对废弃聚丙烯进行催化裂解的可行性。该研究从产品产率分布和成分两方面评估了催化剂的性能，并对所得的液态、气态和固态产物进行了全面分析。据我们所知，这是首批将煅烧蒙脱石与流化床反应器结合用于聚丙烯裂解的研究之一，而且还能实现完整的产物相态分析，从而为了解催化剂性能和工艺效率提供新的见解。这些研究结果有助于深入理解黏土催化剂在聚丙烯裂解中的作用，也为在循环经济框架下开发安全、可持续且具有经济效益的塑料废物利用策略提供了理论支持。

章节要点

原材料准备

用于研究的废弃聚丙烯是从尼日利亚阿库雷联邦技术大学的校园内收集的废弃塑料椅子。这些样品首先经过人工分类，清除其中的沙子，然后放在阳光下晾干3周，再切成5毫米大小的碎片，最后存放在密封容器中以便后续分析。用作催化剂的蒙脱石黏土则是在尼日利亚埃基蒂州的阿多埃基蒂采购的，随后通过锤磨处理使其颗粒变得更细。

黏土催化剂的煅烧

制备好的蒙脱石黏土随后经过了热处理

质量平衡与裂解产物产率

表1展示了有无催化剂条件下聚丙烯废料裂解的质量平衡结果。两次实验中，油、炭和气体的总产率加起来大约相当于初始塑料重量（3公斤）的100%，这表明产物的回收率较高，测量结果也较为准确。催化裂解过程得到的油产率（34.82%）高于无催化剂时的产率（30.33%），这说明催化剂有助于将原料更好地转化为可凝缩的烃类。相比之下，

结论

本研究系统地研究了在流化床反应器中，无催化剂以及蒙脱石催化条件下废弃聚丙烯的裂解过程，并对油、气、炭三种产物进行了全面分析。研究结果清楚地表明，煅烧后的蒙脱石在引导裂解反应路径、促进二次裂解、脱氢以及芳香化反应方面起着关键作用。催化裂解不仅显著降低了炭的能量含量，还增加了其中矿物质的含量，

未来研究方向

未来的研究应当在前人成果的基础上，探索更先进的催化剂改性方法，比如表面功能化处理和金属浸渍，以此提升催化剂的活性、选择性以及抗失活能力。此外，还需要对催化剂的再生机制及其长期稳定性进行系统研究，以便评估其在连续操作条件下的重复使用性能以及整体工艺的经济性。后续研究还应关注反应器设计以及

作者贡献说明

Adekayero Gbenga：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿撰写，方法研究，实验分析。Damilola Oluwaferanmi Adeyemi：方法研究，实验分析。Osaretin Edwin Omoruyi：方法研究，实验分析。Labunmi Lajide：方法研究，资金筹集，研究构思。Olugbenga Oludayo Oluwasina：论文撰写——审阅与编辑，研究指导，方法研究，实验分析，资金筹集。

资助情况

本研究得到了高等教育信托基金的资助（TETF/ES/DR &D-CE/NRF2020/SETI/84/VOL.1）。

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。

致谢

作者衷心感谢尼日利亚阿库雷联邦技术大学化学系固体废物转化处理小组的所有工作人员，他们在本研究过程中所提供的技术支持和帮助。

Gbenga Emmanuel Adekayero|Osaretin Edwin Omoruyi|Damilola Oluwaferanmi Adeyemi|Olugbenga Oludayo Oluwasina|Labunmi Lajide