《Process Safety and Environmental Protection》：Upcycling of disposable medical protective clothing (DMPC) to fuel and surfactant feedstocks using catalyst-free supercritical water and its oxidation system
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摘要一次性医用防护服（DMPC）是重要的防护屏障，但其广泛使用已显著增加了医疗废物的处置压力。传统的填埋和焚烧方法存在环境风险，而DMPC的主要成分——聚丙烯和聚乙烯——具有重要的资源回收潜力。本研究开发了一种无催化剂的超临界水（SCW）及其氧化系统（SCWO），作为将DMP
摘要
一次性医用防护服（DMPC）是重要的防护屏障，但其广泛使用已显著增加了医疗废物的处置压力。传统的填埋和焚烧方法存在环境风险，而DMPC的主要成分——聚丙烯和聚乙烯——具有重要的资源回收潜力。本研究开发了一种无催化剂的超临界水（SCW）及其氧化系统（SCWO），作为将DMPC高效升级为燃料和表面活性剂原料（脂肪醇和烯烃）的工艺。机理分析表明，SCW降解以自由基诱导的链断裂、β-裂解和氢转移反应为主，而SCWO则通过羟基自由基介导的反应促进氧化转化，从而增加了含氧化合物的生成量。在SCW工艺中，DMPC的转化率达到83.37%。油相产物以C8–C22烃类为主（91.43%），热值为42.60 kJ/g，显示出作为燃料的潜力。SCWO系统的转化率达到82.47%，且产物分布更为有利，促进了高附加值醇类和烯烃的生成。油相产物中C8–C22烃类占97.55%。两种工艺（SCW和SCWO）所获得的油相产物中脂肪醇含量为44.93%至64.38%，醇类和烯烃合计超过总量的73%。生命周期评估（LCA）证实碳排放显著降低。所提出的技术能够实现医疗废物高效处理和高附加值化学品回收的双重目标，为DMPC提供了一种兼具环境效益和经济效益的可行绿色回收方案。
引言
传染病主要通过体液传播，包括汗液、血液、分泌物和排泄物。一次性医用防护服（DMPC）因其优异的病原体隔离性、血液屏障性能以及对酒精和油脂的抵抗能力，广泛应用于医院、隔离中心、机场等高风险区域，以保护穿戴者免受传染性病毒的侵害（Su等，2023）。DMPC的原材料主要由聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）等合成聚合物组成，这些材料不仅生产工艺简单、成本低廉，而且具有强疏水性和优异的性能（Prata等，2020）。
DMPC的广泛使用带来了严峻的环境挑战。数据显示，全球医用防护纺织品消费量以每年5%的增速持续上升，其中DMPC占医用纺织品市场的20%（Parthasarathi和Thilagavathi，2015；Zhu等，2020）。DMPC废弃物可在环境中存留数百年，不仅加剧了微塑料污染，还通过食物链对生态系统和人类健康构成威胁（Fadare和Okoffo，2020）。危险废物管理不当对陆地和海洋生态系统造成严重威胁（Yousef等，2021）。中国的医疗废物处理设施目前日均运行能力已达90%，主要依赖高温焚烧技术（Overcash，2012；Karim等，2020；Vozzola等，2020）。尽管焚烧能有效灭活传染性废物，但会释放二噁英等有毒物质（Peng等，2020）。由于技术限制，发展中国家主要采用填埋或露天焚烧，进一步加剧了环境负担（Niinim?ki等，2020；Corburn等，2020）。目前，焚烧技术和非焚烧技术市场份额相当（Sun等，2020）。非焚烧方法——如等离子熔融、蒸汽消毒和微波灭菌——能够处理传染性废物（Zhao等，2021），但由于对复杂医疗废物组成的适应性不足、转化效率和产物回收能力低，以及运行要求高和经济受限，其在DMPC处理中的应用仍然有限。
DMPC的主要成分——聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）——富含碳氢元素。开发这些材料的高效回收技术，可以在实现资源循环利用的同时产生经济效益。因此，开发高效的DMPC处置工艺对于医疗废物的可持续管理至关重要，也是环境污染控制领域的一项关键突破。
目前，已报道了多种用于DMPC转化的催化体系，如金属催化（Israr等，2024）、酸性催化（Liu等，2021）和碱性催化（Liu等，2021）。然而，这些催化体系面临着催化剂制备、分离、再生、失活以及潜在产物污染等额外挑战。本研究提出了一种无催化剂的超临界水（SCW）体系用于DMPC的转化。
超临界流体技术凭借其环保特性，已成为传统溶剂的理想替代品（Benmakhlouf等，2023）。这些"绿色溶剂"具有低毒性、可回收性和高效性等优点，不仅能够介导化学反应，还能实现产物分离（Tarczykowska，2017）。在这些技术中，SCW凭借其独特的物理化学性质展现出广阔的应用前景（Lachos-Perez等，2017），并已在废物处理、生物质利用、能源生产和功能材料制备等领域取得了显著成果（Hrn?i?等，2018；Perrut，2000）。SCW技术在聚合物废物处理方面具有显著优势，能有效克服热传导性差等问题，并能处理含有添加剂的复杂材料（Liu等，2019；Zhao等，2018；Wang等，2017）。该技术可根据聚合物结构差异，实现单体回收或燃料转化（Queiroz等，2020）。
然而，目前DMPC等复杂医疗废物（含有PE和PP等多种合成树脂材料）在无催化剂SCW体系中的反应行为和转化机理尚不清楚。此外，与SCW反应介质相比，SCW氧化（SCWO）反应体系由于氧化剂的参与和氧化反应气氛的调控，可以选择性控制聚合物废物分解产物的类型，并降低反应温度。作为长碳链聚合物，DMPC的主要成分（PE和PP）预计可通过SCW和SCWO工艺，通过控制反应条件和氧化气氛转化为燃料或C10–C20表面活性剂前体产物（如脂肪醇和烯烃）。
因此，本研究的目的是开发一种利用无催化剂SCW和SCWO工艺将DMPC高效升级为燃料或表面活性剂原料的工艺。对提出的SCW和SCWO升级DMPC工艺的反应参数进行了优化，以实现高转化效率和有利的产物分布。本研究还探讨了通过SCW和SCWO将DMPC升级为燃料或C10–C20表面活性剂前体产物的反应机理。
各章节摘要
材料与化学品
DMPC样本经机构批准后，从西安科技大学医院医疗废物收集站采集。实验前未进行额外的消毒处理。事实上，后续的SCW/SCWO工艺可以在高温高压条件下通过热破坏和水热灭菌效应实现有效的微生物灭活。其主要成分为PP/PE复合材料。
反应参数对DMPC转化的影响
对比研究了SCW和SCWO工艺中反应参数对DMPC转化的影响。研究的参数包括温度、时间、固液比和H?O?浓度。结果如图2所示，DMPC的转化率计算如下：C (%) = (M1-M2)/M1 ×100%
其中，M1为DMPC的初始质量（g），M2为处理后固体残留物的质量（g）。
结论
本研究基于超临界水技术开发了一种环境友好的DMPC处理技术，实现了高效且环境可持续的资源回收。通过系统研究温度、反应时间、固液比和H?O?浓度等参数对DMPC转化效率和产物组成的影响，结合FT-IR、GC-MS和元素分析等表征技术，得出以下主要结论。
伦理声明
已获所有参与者或其法定代表人签署的书面知情同意，同意参与本研究并发表文章。已尊重参与者的隐私权。
本研究在研究进行所在地的相关法律法规、法规框架和指导方针范围内开展。根据相关法律法规和机构指导方针，无需伦理委员会审批。稿件内容不涉及与此相关的事项。
未引用参考文献
（Fu等，2024；Haribal等，2018）
CRediT作者贡献声明
Qi Yingying：撰写——初稿，监督，资源，项目管理，方法学，调查，概念化。Hu Jiaqing：撰写——初稿，可视化，验证，软件，调查，形式分析，数据整理。Zhang Yan：撰写——初稿，可视化，验证，软件，调查，形式分析，数据整理。Xiu Fu-Rong：撰写——初稿，监督，资源，项目管理，方法学，调查，资金支持。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作受国家自然科学基金（编号：22278331；22576163）和陕西省自然科学基础研究计划项目（编号：2025JC-YBMS-574）资助。
Qi Yingying | Hu Jiaqing | Zhang Yan | Xiu Fu-Rong
