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廢棄塑料降解與回收再利用方法及發展趨勢

塑料降解

目前應用廣泛的塑料制品是以化石資源為原料生產得到的石油基塑料,主要包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)和聚對苯二甲酸乙二酯(PET)等,但是由于其高分子量以及高分子穩定性,石油基塑料在自然環境中幾乎不會被降解,久而久之堆積為大量的白色污染。針對治理環境污染,如何高值化再利用廢棄塑料的問題,國內外學者已經做了大量的研究,可概括為物理法和化學法。大慶油田設計院有限公司綜述了目前針對廢棄塑料降解與回收再利用的物理方法和化學方法,并對未來的發展趨勢進行展望。

1 物理法

物理法回收塑料大部分是直接造?;蛘吒男院笞鳛樗芰闲铝显俅问褂?,主要涉及到塑料四級回收方法的一級回收和二級回收。一級回收是對未受污染的塑料進行簡單回收,以便在類似的應用中再次使用,雖然一級回收的成本很低,但它的缺點是重復使用周期有限且并不適用大多數實際情況,但仍有一些學者另辟蹊徑,結合尺寸效應等簡單方法實現了廢棄塑料的高值化利用。

廢棄塑料的二級回收是一個包括分類、清洗、熔融和重新成型加工的的復雜過程,對塑料的物理性能和尺寸形式要求并不嚴格,如建筑和包裝材料。目前二級回收主要是將廢棄塑料作為回收填料與其它材料成型加工再次應用于建筑、包裝以及管材等相關領域。除了廢棄PE的二級回收與再利用外,研究者們還進行了包括廢棄PVC、廢輪胎樹脂纖維、脂肪族聚酯(PBS)、聚烴基脂肪酸酯(PHA)以及聚乳酸(PLA)塑料等的回收再利用以及在自然環境中降解行為的研究等。


2 化學法

化學法回收廢棄塑料主要涉及到四級回收方法的三級回收和四級回收,其中三級回收主要是化學回收,四級回收主要為能量回收。目前針對于廢棄塑料的回收過程過于依賴物理法回收也就是一級回收和二級回收,因為物理法回收的運行成本低,需要的專業技術少,因此占所有回收操作的75%以上。

2. 1 熱解

熱解,是指塑料在催化劑的作用下高溫裂解,分子鏈分解成更小的中間產物。這種方法的一個主要優點是,它可以處理不同類型塑料的混合物,并能夠減輕廢塑料中各種有機、無機或生物殘留物的負面影響,大多數熱解研究都集中于最大化液體油產率和優化質量上。目前研究者已經對PP,PE,PS等廢棄塑料的反應條件進行了優化,其中PS的液體燃料產量最高。

2. 2 化學溶劑

化學溶劑靶向降解是塑料廢物非特異性分解的替代方法。這種方法在理論上提供了更高的效率和更低的能量輸入,并產生了更高比例的純降解產物,從而產生了更高的經濟價值。例如:一種環境友好回收PS的方法,該過程包括在檸檬烯中溶解PS和使用SC-CO2除去溶劑,最佳反應條件為高壓(10 MPa)、低溫(30℃)和中等濃度(0.4 g/mL),PS的回收率可達95%以上。

2. 3 單體共聚

單體共聚是指利用與低成本單體共聚的方法,向聚合物材料的分子鏈上引入可降解基團的策略,在維持原材料優異性能的同時,賦予聚合物交聯網絡可降解性和回收再加工性。

物理法(一級、二級回收)和化學法(三級、四級回收)的優勢及劣勢見下表。

3  廢棄塑料再生利用發展趨勢

為了更好地對廢棄塑料進行再生利用,未來處理方法應朝著環境友好、經濟性高的方向發展,具體體現在如下幾個方面:

(1)提高廢棄塑料的分揀技術。目前的廢棄塑料回收研究大多是針對某種特定塑料成分,然而實際情況中多種不同性質的塑料往往是大量摻雜在一起的,針對某一種成分進行回收處理可能會導致新的廢棄物污染?;蜷_發經濟實用的新型增容劑兼顧復雜多樣的塑料組分,提高不同組分之間的相容性以達到廢棄物的良好性能和高值化利用。

(2)采用化學法處理廢棄塑料時,往往伴隨著高溫、高壓等苛刻條件,操作難度性大且有安全隱患。未來應更傾向于尋找條件溫和、將廢棄塑料可控碳化的生產工藝,同時尋找安全、無毒副作用且使用壽命長的催化劑以應對工業生產。

(3)目前已經有了一些從分子設計的角度上合成可降解聚合物的研究,但整體流程成本較高且制備難度較大,大多數研究設計仍停留在實驗室階段,難以工業化。制備合成工藝簡單且價格低的可降解聚合物具有較好的研究潛力。

(4)生物酶技術作為一種環境友好手段降解廢棄塑料而廣受關注,然而目前發現的可降解塑料的生物酶種類有限,降解效率不高,且降解機理仍不明確,各類研究還處在起始階段,這都成為了制約生物酶塑料降解發展的關鍵問題。繼續探索研究生物酶降解技術,對于解決塑料污染問題具有重大意義。

(5)大力發展生物可降解塑料制品以及積極尋找傳統塑料的替代品。目前已經報道了一些以仿生結構受啟發制備的高性能塑料替代品,該種材料集成了多種優異的宏觀特性,展現出比塑料薄膜更突出的綜合性能,在光電轉換、柔性電子器件等領域具有競爭力。為了更好地防治塑料污染,發展新一代可持續塑料替代材料迫在眉睫。

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