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處理溫度降低數百度!塑料回收再登《Science》頭條:一鍋法將廢塑料轉化為高附加值產品,中國建材網,cnprofit.com
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處理溫度降低數百度!塑料回收再登《Science》頭條:一鍋法將廢塑料轉化為高附加值產品
2020年10月23日    閱讀量:7216    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

塑料已成為現代生活中不可或缺的部分,它的使用為人們帶來了諸多便利,例如食物貯存、輕質車輛構造、建筑保溫等等。正因如此,塑料的的需求和產量都非常驚人。在過去的70年中,全球合成的石油基塑料產量急劇增加,從1950年的不到200萬噸增加到2015年的3.8億噸,預計未來20年內產量將再次翻番中國建材網cnprofit.com。其中,40%都是作為使用壽命極短的一次性用品,而且絕大多數塑料的回收成本高且很難在短時間內降解,只有不到10%的塑料被回收循環使用,如此累積,越來越多的塑料垃圾給環境生態帶來了極大壓力。

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圖1:全球塑料制品的生產,使用和循環利用(1950年至2015年;百萬公噸)。來源于DOI: 10.1126/sciadv.1700782

目前廢塑料的回收方法通常是物理回收,即簡單地洗滌聚合物,然后將其熔化并重塑。但是,這些再生塑料與原始塑料相比,不僅性能會變差,而且價值較低,不足以彌補回收、分類和處理等過程的成本。雖然化學回收方法原則上可以將某些塑料解聚為單體,但此過程能耗很高,需要大量的共反應物且條件苛刻,對其經濟可行性提出了挑戰。

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近日,加利福尼亞大學圣塔芭芭拉分校的Susannah Scott等人提出了一種在低溫下將廢棄的聚乙烯轉化為更高價值的長鏈烷基芳烴的創新方法。長鏈烷基芳烴是生產洗滌劑,潤滑劑和制冷劑的重要成分,比聚乙烯塑料更有價值。目前,烷基化芳烴的生產主要是通過在500–600°C下對原油餾分石腦油進行重整以生產稱為BTX(苯-甲苯-二甲苯)的混合物,然后在下一步使用強酸催化劑將其烷基化,從而進一步分離和廢物處理方面的問題。而Susannah Scott等人將氫解和芳構化這兩個化學反應結合在一起,只需要使用Pt/γ-Al2O3催化劑在280°C的溫度下便將低密度聚乙烯直接轉化為線性烷基芳烴的混合物(圖2)。Zhang Fan和Zeng Manhao 為共同第一作者。

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圖2:將聚乙烯直接轉化成長鏈烷基芳烴的氫解-芳構化串聯催化路線。

研究成果以“Polyethylene upcycling to long-chain alkylaromatics by tandem hydrogenolysis/aromatization”發表在《Science》上。而且,在同期的《PERSPECTIVE》中荷蘭烏得勒支大學Bert Weckhuysen教授高度評價了Susannah Scott等人的研究成果,稱:“這些發展將為發展循環塑料經濟鋪平道路,在循環經濟中,塑料不是廢物,而是有價值的原材料?!?/p>

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重磅成果來源于一次偶然的發現

該工作的奧秘在于:氫解和芳構化兩個反應之間必須保持微妙的平衡,以避免產生不必要地價值較低的氣體,例如甲烷、乙烷和丙烷、以及可能導致催化劑失活的焦炭沉積物。通過選擇適當的反應溫度(280℃)來實現微調,因為較高的反應溫度(例如330℃)導致產生氣體和揮發性烴。氫的分壓足夠高以實現氫解,但又足夠低以避免所形成的有價值的烷基芳族化合物的氫化。

起初,Susannah Scott等人并沒有想到將兩個反應結合在一起。一次偶然的機會,當她們在嘗試其他反應時,突然發現芳構化釋放的氫正在與聚乙烯鏈反應,從而促使其分解為較短的鏈。完全解聚反應會將聚乙烯變回乙烯單體,并且過程中伴隨著強烈的吸熱。而將大分子與氫裂解以得到烷烴,是一個放熱的過程。因此,將產生氫的反應與消耗氫的反應結合起來,便可以接近熱中性。Susannah Scott等人立馬意識到其中的重大意義,這是一種非常有潛力的串聯催化路線,有可能將聚乙烯廢料直接轉化為高價值的產品。

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圖3:整體PE轉化為烷基芳烴和烷基環烷,以及通過脫氫環化提出的串聯聚乙烯氫解/芳構化的機理。

新工藝的優勢之處

這種創新的思路產生了一種新的串聯催化方法,該方法不僅可以直接從廢聚乙烯塑料中制造出高價值的烷基芳族分子,而且還可以高效,低成本,低能耗地進行。

優勢一:反應溫度低,適用性廣。通常,需要500至1000°C的溫度才能將聚烯烴鏈分解成小塊,然后將它們重新組裝成氣體,液體和焦炭的混合產物,而新工藝的最佳溫度則徘徊在280°C附近,降低了數百度。相對溫和的反應條件有助于以更有選擇性的方式將聚合物分解為潤滑劑范圍內的大多數較大分子。

優勢二:不需要溶劑或添加氫。只需Pt/γ-Al2O3催化劑即可進行串聯反應,既打破了聚乙烯分子中堅韌的碳-碳鍵,又重新排列了聚合物的分子“骨架”,從而產生高價值的長鏈烷基芳烴。

此外,為了驗證該路線在實際的廢塑料回收中的應用,研究人員使用了低密度聚乙烯塑料袋和高密度聚乙烯瓶蓋來研究其高值化過程。結果表明,該工藝路線能夠產生了平均碳原子數約為30的長鏈烷基芳烴和烷基環烷酸酯,且產率約為80%。盡管催化收率比低分子量聚乙烯模型化合物的轉化率要低一些,但聚合物的密度和支化度對新開發的氫解-芳構化串聯工藝影響不大。這表明,該工藝適用性廣,具有很高的市場價值。


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圖4:各種聚乙烯廢棄物的無溶劑轉化。

“由小分子烴類形成芳香分子是十分具有挑戰的?!闭撐牡牡谝蛔髡逨an Zhang說道,“而在我們的催化路線中,由聚烯烴形成芳烴的過程中,氫作為副產物形成,并進一步切割聚合物鏈,從而使整個過程順利進行,得到長鏈烷基芳烴,這是令人著迷的結果?!?/p>


標簽:今日頭條,建材應用,裝修百科,技術中心,建筑基材,建筑材料,橡膠塑料
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