塑料對國民經(jīng)濟發(fā)展和人民幸福生活貢獻巨大，但廢棄塑料急劇增加，處置不規(guī)范，缺乏有效的回收利用技術。從100多年前被發(fā)明至今，已累計生產(chǎn)了92億噸廢塑料，僅9%被回收再利用，12%被焚燒處理，79%被填埋或積累在自然環(huán)境中，長期積累造成嚴重的環(huán)境污染，而且浪費資源，必須治理。廢棄塑料是放錯地方的資源，在各種固廢中更具回收利用價值，更易回收利用。
廢棄塑料污染治理是我國的國家戰(zhàn)略，固廢資源循環(huán)利用是實現(xiàn)碳減排和碳中和的重要內容。
近日，中國科學技術大學曾杰教授課題組在塑料循環(huán)升級領域取得突破性進展。研究人員設計出一種“氫呼吸”策略，在無需額外添加氫氣或溶劑的情況下，將高密度聚乙烯塑料轉化為高附加值的環(huán)狀烴類，為廢棄塑料的“人工碳循環(huán)”提供了新方法。
聚乙烯塑料是五大通用塑料之一，穩(wěn)定性很高，難以自然降解。通過焚燒或填埋處理廢棄的聚乙烯塑料會造成大氣、土壤和水源污染?？紤]到聚乙烯和石油具有相似的化學結構與組成，曾杰等人大膽猜想——能否直接把聚乙烯當成一種“固體石油”，借鑒石油化工的技術，用以合成石油的下游化學產(chǎn)品？
此次研究中，研究人員首先把目光聚焦到石油加工的一個重要過程——加氫裂化，它可以將長鏈段的重質油裂解，從而得到短鏈的油品，如汽油、煤油和柴油等。研究人員參照該方法，以聚乙烯為原料進行加氫裂化實驗，并順利轉化為汽油餾分的鏈狀烴產(chǎn)品，進一步證實聚乙烯就相當于“固體石油”。
“正如‘加氫裂化’字面上的意思，這個過程需要消耗大量氫氣，而氫氣本身非常昂貴。此外，現(xiàn)有的制氫工藝還會造成碳排放?！痹苷f，進一步地，他們從改進工藝著手，試圖在不使用氫氣的條件下，實現(xiàn)廢棄聚乙烯塑料的循環(huán)升級。
催化重整是石油加工過程中另一種重要的手段，可以將輕汽油餾分轉變成富含芳烴的高辛烷值汽油，或者苯、甲苯以及二甲苯等化工原料，并產(chǎn)生氫氣。
催化重整過程中產(chǎn)生氫氣，加氫裂化過程中消耗氫氣。如果將這兩個過程串聯(lián)并應用于聚乙烯降解，就相當于一邊讓塑料成環(huán)脫氫變成環(huán)狀烴“呼”出氫氣，一邊讓塑料“吸”入氫氣裂解變成短鏈。
曾杰介紹，“這一策略利用聚乙烯自身的氫原子替代外加的氫氣，不僅降低成本，而且節(jié)能減排，從而實現(xiàn)氫元素的‘自產(chǎn)自銷’”。最重要的是，在這個過程中還可以打破聚乙烯中穩(wěn)定的碳骨架，使分子鏈段變短，而且得到的產(chǎn)物是環(huán)狀烴，相比鏈狀烴具有更高的價值。
要實現(xiàn)動態(tài)“氫呼吸”策略，尋找一種合適的催化劑是關鍵。曾杰提出“酸性位點可以促進烯烴環(huán)化成環(huán)狀烴”。研究人員在原有的金屬釕催化劑上引入了具有酸性位點的分子篩作為載體。他們發(fā)現(xiàn)，這種新型催化劑可以使聚乙烯順利發(fā)生脫氫環(huán)化過程，并釋放出氫氣，順利引發(fā)后續(xù)的加氫裂化過程。
在分子篩負載的釕催化劑作用下，廢棄聚乙烯塑料逐漸被降解。最終，經(jīng)過24小時的催化反應，高密度聚乙烯塑料的轉化率達到69.6%，其中主要降解產(chǎn)物是液體環(huán)狀烴。環(huán)狀烴是高附加值的化工品之一，可以作為合成藥物、染料、樹脂和纖維的原材料，用途廣泛。
●回收利用：2023年國內廢塑料回收再生量達1800萬噸，回收率約30%，回收利用產(chǎn)值超1000億元。
● 焚燒：2023年全國城市生活垃圾清運量達2.45億噸，廢棄塑料焚燒量超1600萬噸，約占廢棄塑料總量31%。
●填埋及丟棄：近2000萬噸廢棄塑料被填埋或任意丟棄，大量積累在自然環(huán)造成嚴重“白色污染”。
當前約30%的回收利用率還不高，需加強政策支持和科技投入。
全方位全鏈條防治廢棄塑料污染，將有力助推碳減排碳中和，發(fā)展綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟。其原則是減量化、再利用、資源化。并采用更加資源高效的辦法，從合成-加工-應用-廢棄物處置多個環(huán)節(jié)對塑料進行全生命周期管理，提高使用效率，減少對環(huán)境的影響。
● 發(fā)展節(jié)能減排聚合技術；
● 合成高性能、長壽命、易回收的高分子材料，減少廢棄量；
● 發(fā)展PBAT、PLA、PPC等生物可降解高分子及前驅體的先進合成技術；
● 發(fā)展非石油路線環(huán)境友好高分子材料，如PVA等；
● 發(fā)展規(guī)?；蒙镔|碳(纖維素、甲殼素、淀粉等)的化工技術；
● 發(fā)展高效化學裂解固定廢棄塑料技術。
生物可降解塑料值得行業(yè)特別關注，這種材料在一定條件和時間內被微生物分解為二氧化碳和水，應用于需填埋處理的一次性包裝材料。生物可降解塑料也面臨著幾個挑戰(zhàn)，一是如何實現(xiàn)可控降解，即使用時不降解，廢棄后完全降解；二是如何降低成本，目前它的成本為普通塑料的2-3倍以上；三是如何改進加工、力學性能。對于生物可降解塑料，應根據(jù)需求合理規(guī)劃，避免投資過熱和產(chǎn)能過剩。
● 發(fā)展先進塑料加工技術，實現(xiàn)制品高性能化、長壽命、輕量化，減少廢棄量；
● 設計、加工可多次循環(huán)使用的制品；
● 優(yōu)化產(chǎn)品結構，實現(xiàn)同質異相增強，易回收利用；
● 發(fā)展生物可降解塑料和環(huán)境友好高分子材料的先進加工技術；
● 發(fā)展高值高效利用生物質材料加工技術；
● 發(fā)展高值高效回收利用廢棄塑料的新裝備新技術。
塑料在結構件功能件的應用占塑料制品總量60%以上，實現(xiàn)了高性能、多功能、長壽命。但其存在的問題是難于分類，難于分離，難于回收利用。我們要提倡循環(huán)使用，物盡其用，為原生高分子材料和制品開辟合法、合適的應用途徑，空如農田水利、道路材料、室外設施等。
塑料在包裝的應用占塑料制品總量25%以上，其使用期較短，存在的問題是廢棄后難于收集，對環(huán)境影響大。應根據(jù)包裝應用場景，選擇合適的包裝材料；減少過度包裝，合理適度使用；需填埋的一次性包裝采用生物可降解塑料；方便收集的包裝采用熱塑性塑料，重復使用并回收利用；危廢或沒有回收價值的包裝選用無有害元素塑料，保證安全焚燒。
要做到高效合理分類，應回收盡回收。
● 可回收利用：大力發(fā)展環(huán)境友好回收利用技術，尤其是在高分子態(tài)回收利用技術，需大力發(fā)展高值高效回收利用廢棄塑料的新裝備新技術。
● 優(yōu)先發(fā)展環(huán)境友好的物理回收利用技術，完善單材廢塑料全回收再利用技術，突破混雜廢塑料回收加工難題；
● 發(fā)展清潔高效規(guī)?；瘜W裂解回收方法；
● 廚余濕垃圾限用生物降解塑料包裝，實現(xiàn)安全填埋；
● 危廢及醫(yī)療塑料用焚燒處理，發(fā)展先進清潔環(huán)保焚燒裝備和工藝以實現(xiàn)安全焚燒和能量回收，鼓勵使用無害聚烯烴材料。
