热解塑料废料转化为有价值的化学原料

2023-08-17 05:46来源:大智报

将塑料废物升级为高价值化学原料的新方法可以为提高未来的塑料回收率提供重要的经济激励。通过利用降解塑料中存在的反应性化学基团,两个研究小组开发了使用稳健和成熟的化学方法制备有价值产品的新方法。

尽管面临着解决日益严重的塑料垃圾问题的巨大压力,但回收率仍然很低,全球只有不到10%的塑料垃圾得到有效回收。最大的障碍之一是开发一种经济有效的治疗方法的挑战。虽然研究人员已经开发出许多不同的化学降解塑料的方法,但大规模操作这些过程的成本通常超过了重新利用产品的价值,如果没有大量的政府补贴,这些策略就不可行。

考虑到这些经济因素,美国的两个团队现在已经开发出替代的化学升级回收工艺,利用现有的工业基础设施以低成本生产高价值的产品。

开发烯烃

热解是目前从塑料中回收碳氢化合物最常见的方法,需要将废物加热到高温。长聚合物链通过自由基机制热分解,形成被称为热解油的富含烯烃的混合物,然后可以用作其他工业过程的燃料。然而,威斯康星大学麦迪逊分校的乔治·休伯认为,我们可以通过利用石油中高比例的烯烃,从这种碳氢化合物混合物中提取出更大的价值。他解释说,整个化学工业的基础是首先从原油中提取烯烃,然后用它来获取所有不同的化学物质。“那么,为什么不利用裂解油中的烯烃功能,用它来制造更高价值的化学品,而不仅仅是用它来制造燃料,或者把它送回蒸汽裂解装置呢?””

该团队对消费后的聚乙烯和聚丙烯的混合物进行了热解,并将成批的热解油蒸馏成类似大小的烯烃。他们将这些分离的馏分置于工业氢甲酰化条件下,在钴催化剂的存在下,使用一氧化碳和氢气将烯烃转化为醛。得到的醛混合物可以进行进一步的反应,如氢化、胺化或氧化,以产生高价值的化学产品,包括二醇、胺和脂肪酸。胡贝尔说:“我们生产的产品价值是目前裂解油产品的5到20倍,我们最有价值的产品是二醇,每吨价值3000-5000美元(2400-4000英镑),我们可以用这项技术将其纯度提高到99.99%。”

Huber lab

乔治·胡贝尔(左)和李厚谦站在氢甲酰化装置旁边,他们用这个装置将废塑料转化为有价值的醛

有限公司控制实现热解

在弗吉尼亚理工大学,刘国良同样热衷于开发塑料热分解时产生的烯烃。他的团队对较大的碳氢化合物碎片特别感兴趣,并开发了一种专门的反应容器,在热解步骤上应用温度梯度来控制分解产物的大小。刘解释说:“温度高到足以部分破坏聚合物链上的一些键,所以我们生产的是短链蜡,而不是小分子。”“产品被蒸发,然后在容器的较冷区域冷凝,所以热梯度控制链断裂的程度。”

在第二个容器中,在锰催化剂上氧化,然后将这些蜡质烯烃转化为长链脂肪酸——广泛用于肥皂和洗涤剂等表面活性剂产品,其价值约为原始塑料的四倍。刘说:“实际上,回收产品的经济价值必须高于塑料垃圾,才能为回收过程的工业部署提供足够的经济激励。”“如果我们能以经济的心态来设计这些流程,我们就更有可能将这项技术从实验室推向商业现实。”

积极的预测

美国加州大学圣巴巴拉分校的可持续催化研究人员苏珊娜·斯科特对两个团队的工作印象深刻,并对化学回收解决方案的未来持乐观态度。她说:“像这样的过程是聚合物分子回收的关键。”“两者的优点是工艺简单,催化剂价格低廉且坚固耐用,产品适用于各种相当大规模的用途,有可能取代化石燃料为基础的化学品。废塑料是一种碳氢化合物来源,与原油没有太大区别,最终可能成为循环碳经济中石油的替代品。”

两个团队已经对他们的方法进行了初步的经济分析,并预测在一万吨的规模上销售他们的化学产品将是有利可图的,较大的生产工厂可能在短短三年内收回最初的投资成本。在不久的将来,他们将与工业伙伴合作,在更大范围内开发他们的产品和方法,最终目标是将这些过程转化为塑料废物的商业处理。

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