《Resources, Conservation and Recycling》：Balancing cost and quality: Multi-level modelling of sorting and pretreatment pathways for mixed plastic waste towards pyrolysis feedstock
编辑推荐：
分类后的家庭混合塑料包装废弃物需要额外的处理步骤，以确保其热解产物满足加氢处理规格。在设计原料提质过程中，应兼顾成本与污染物最小化。研究人员开发了一个超结构-决策（SS-DM）框架，通过从多层级视角评估超过3000种分选和清洗序列来应对这一挑战。结果显示，最优
分类后的家庭混合塑料包装废弃物需要额外的处理步骤，以确保其热解产物满足加氢处理规格。在设计原料提质过程中，应兼顾成本与污染物最小化。研究人员开发了一个超结构-决策（SS-DM）框架，通过从多层级视角评估超过3000种分选和清洗序列来应对这一挑战。结果显示，最优性能通过（i）包含NIR清洁器的4步近红外（NIR）分选级联（高聚烯烃（PO）回收率和纯度，低成本）以及（ii）冷清洗加密度分离或干清洗实现。增加进料中聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）/混合聚烯烃（MPO）/薄膜含量同时降低PO含量，会降低PO纯度百分比、PO回收率百分比和污染物去除效率。在变化的决策优先级中，平衡成本和质量允许满足所有约束。除了决策支持，SS-DM还作为一个快速通道工具，生成所有单元的高分辨率输出，作为热解建模的宝贵输入。
**论文解读：基于多层级建模的混合塑料废弃物分选与预处理路径优化——平衡成本与质量以制备热解原料**
**研究背景与问题**
在欧盟，机械回收（MR）占塑料回收能力的99%，因其技术成熟且经济可行，但仅适用于单独收集且相对均质的塑料废物流。对于复杂废物流，如来自家庭包装的分类后混合塑料废弃物（DKR-350/352捆包），其高污染、异质性强的特点使其难以通过机械回收有效处理。热解技术因其能热分解有机污染物、颜料和添加剂而日益受到关注，符合欧盟2025年包装与包装废弃物法规（PPWR）设定的2030年55%塑料包装回收率目标。然而，热解原料的质量直接决定产物品质：聚烯烃（PO）组分（如高密度聚乙烯HDPE、低密度聚乙烯LDPE、聚丙烯PP）可产生高价值热解油，而非PO组分（如聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚苯乙烯PS、聚氯乙烯PVC）会引入氧（O）、氮（N）、氯（Cl）等杂原子，导致设备腐蚀、催化剂失活、产物不稳定等问题。因此，必须对混合塑料废弃物进行额外的分选和预处理（如近红外NIR分选、清洗），以降低污染物含量，使其满足热解原料的加氢处理规格。现有研究通常单独评估分选或清洗步骤，缺乏系统性的组合优化，且现有系统模型多基于预定义流程配置，缺乏灵活性，未能同时考虑系统级（成本、碳足迹）、过程级（PO回收率、纯度）和元素级（O、N、Cl含量）的多层级设计约束。
**研究目的与意义**
本研究旨在开发一个集成超结构（SS）与多层级决策（DM）的混合框架（SS-DM），以系统探索混合塑料废弃物转化为热解原料的最优分选和预处理路径。该框架可同时评估超过3000种分选和清洗序列，并纳入八个多层级决策标准：系统级（平准化成本LCMP、全球变暖潜能GWP）、过程级（PO纯度、PO回收率）、元素级（碳氢比C/H、O、N、Cl含量）。研究通过分析不同NIR单元数量、配置、进料组成及决策优先级的影响，为设计鲁棒的后分选和预处理策略提供启发式指导，支持利益相关者履行延伸生产者责任（EPR）义务，符合PPWR和即将出台的《全球塑料条约》要求。论文发表在《Resources, Conservation and Recycling》。
**主要关键技术方法**
研究人员采用SS-DM框架，该框架包括两个子模型：（1）超结构（SS）子模型，映射所有可行的分选和预处理配置（基于DKR-350/352标准，最多4个NIR分选器级联，结合冷/热/干清洗及密度分离），并嵌入数据库（包含单元设备的分离因子、成本、碳足迹及元素/金属/卤素含量信息）；（2）决策（DM）子模型，采用层次熵权法（h-EWM）自动推导准则权重，并结合方向性-非矩阵分解（d-NMF）技术进行降维和帕累托优化。研究通过蒙特卡洛（MC）模拟（1000次）捕获输入参数变异性，并使用Spearman秩相关合并排名。样本队列来源：基于DKR-350标准的PO-rich标准进料，以及内部分选试验获取的荷兰来源MPO/薄膜-rich进料和比利时来源PET-rich进料（通过模型推导）。
**研究结果**
**3.1 NIR分选器与清洗组合评估**
通过比较不同NIR单元数量和清洗组合的多层级平均性能，发现：（1）随NIR级联数量从1增至4，PO回收率从26%提升至66%，但PO纯度从94%降至81%，且Cl含量增加；引入NIR清洁器后，PO纯度提升至95%，但回收率降至42%，LCMP升高。（2）对NIR配对重要性分析显示，NIR
PET、NIR
PS、NIR
PE和NIR
清洁器的变量重要性投影（VIP）得分最高（2.5-3.3），表明PET去除和清洁器单元对决策标准影响最大；而NIR
PS和NIR
PE会降低PO纯度或回收率。（3）清洗方式对比：干洗成本低（约200 �/T输出），但污染物去除效果差（Cl达11,500 ppmw，O达7.2 wt%）；冷洗加密度分离去除污染物最强（C/H 0.51，O 4.8 wt%，Cl 4,600 ppmw），但PO回收率较低（46%），成本较高（560 �/T输出）；冷洗不加密度分离的效果与干洗相近。研究指出，单级清洗即可满足要求，多级组合不必要。
**3.2 不同优先级与进料组成的影响**
通过设定成本导向、质量导向和平衡三种决策优先级，发现：（1）成本导向方案（88%采用3-4级NIR无清洁器，66%采用0-1个清洗单元）LCMP低（156 �/T输出），但PO纯度仅52%，远低于85%阈值，且O、Cl含量超标。（2）质量导向方案（83%采用>1个清洗单元，含热洗）实现高纯度（99%PO）和低污染物（Cl 1,100 ppmw），但LCMP高达1,100 �/T输出。（3）平衡方案（采用h-EWM客观权重）推荐2级（无清洁器）或4级（有清洁器）NIR级联，且100%建议冷洗（单级），满足所有约束。进料组成变化显示：PET-rich进料导致最终流O含量高（6.8 wt%），PO回收率低（24%）；MPO/薄膜-rich进料导致N和Cl含量升高（分别达1.7 wt%和13,600 ppmw）。
**3.3 结构方程模型（SEM）因果链图谱**
通过SEM分析各变量间关系，发现：（1）PO回收率与纯度呈强负相关；（2）PO回收率与LCMP呈强负相关；（3）决策优先级显著影响配置：成本导向影响LCMP和GWP，质量导向影响最终流质量；（4）增加NIR单元主要提升PO回收率，加入清洁器优先提升PO纯度；（5）清洗步骤类型对各方面的影响大于NIR级联，清洗技术选择是关键决策。
**3.4 SS-DM模型提出的整体解决方案**
针对DKR-350后分选，平衡方案推荐：4级NIR分选级联（PO靶向回收→PET靶向去除→LDPE靶向回收加清洁器），随后进行冷洗加密度分离。该配置平均实现91±2 wt% PO纯度、52±9 wt% PO回收率、LCMP为755±292 �/T输出、GWP<0.5 kg CO
2/kg输出，并满足元素质量标准（C/H 0.51，O 3.7±0.2 wt%，N 0.7±0.1 wt%，Cl 4,100±1,400 ppmw）。成本导向和质量导向方案均偏离推荐配置，无法同时满足所有约束。
**讨论与结论**
讨论部分指出，SS-DM框架可作为快速通道工具，提供高分辨率输出，为热解建模提供输入。研究识别了主要污染物来源：混合薄膜为O主要来源，N与颜料、填料、氨残留及混合薄膜相关，Cl主要来自盐沉积和食品接触柔性包装，重金属与纸板和纸板组分相关。SEM因果链图谱可作为过程故障排除和设计启发式工具。
**结论翻译**：本研究通过集成超结构与多层级决策模型，开发了一个过程选择框架（SS-DM）。以混合塑料废弃物提质制备热解原料为目标，该框架通过同时评估过程成本和足迹（系统级）、PO回收率和纯度（过程级）以及最终流质量（元素级），提出了最优的分选和清洗组合。对分选配置的评估表明，增加分选器数量通常提升PO回收率，但可能因杂质夹带降低PO纯度。在初始分选器产物流上放置“清洁器”可提高最终流PO纯度并降低污染物水平，有效缓解这一权衡。带清洁器的4级分选级联成本比不带清洁器的2级级联低约22%，同时保持相当的过程和元素级性能。PET去除和利用清洁器进行产物流富集的分选有利于生产高纯度PO-rich流，而PS/PE靶向分选可能降低回收率、流质量并增加成本。清洗选择也是关键设计决策：带密度分离的冷洗实现了最强的污染物去除，尤其是O和Cl，但PO回收率较低且成本较高；相比之下，干洗提供了一种低成本、操作简单的解决方案，尤其适用于薄膜-rich流（湿处理可能导致结块等处理难题），但并非所有指定的最终流质量约束（尤其是Cl）均能达到。重要的是，冷洗的质量优势主要来自密度分离，因为不带此步骤的冷洗对关键元素指标的表现与干洗相似。结果表明，应根据原料质量、材料回收和经济可行性之间的预期平衡来选择清洗技术。决策优先级的比较表明，成本导向配置偏好高回收率、低成本路径，但常无法满足最终流质量要求；质量导向配置在显著更高的成本和足迹下改善污染物去除；平衡方案则在这两个极端之间提供折中，并满足所有预定义约束。进料组成变化影响最终流质量：PET-rich输入导致O水平升高和PO回收率降低，而MPO/薄膜-rich输入则升高N和Cl水平。总体而言，平衡方案由4级分选级联（PO靶向回收→PET靶向去除→LDPE靶向回收加清洁器）后接带密度分离的冷洗组成。该配置实现了91±2 wt% PO纯度、52±9 wt% PO回收率、平准化成本755±292 �/T输出，以及全球变暖潜能低于0.5 kg CO
2/kg输出。它还满足了元素质量目标，C/H比为0.51，O含量为3.7±0.2 wt%，N含量为0.7±0.1 wt%，Cl含量为4,100±1,400 ppmw。分析进一步确定了最终流中主要污染物来源：混合薄膜为关键O源，N与颜料、填料、氨残留和混合薄膜相关，Cl主要来自盐沉积和食品接触柔性包装，重金属与纸板和纸板组分相关。关联所有评估变量与其响应的SEM因果链图谱得以制定，可通过根因分析实现高效过程故障排除。该图谱还作为直观的过程设计启发式工具，指导配置定制。总体而言，该开发的框架可作为现实决策的宝贵基准，证明了其在遵守特定约束和设计标准的同时做出良好平衡决策的能力。
