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处理温度降低数百度!塑料回收再登《Science》头条:一锅法将废塑料转化为高附加值产品,360资讯网,ChinaNews360.com
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处理温度降低数百度!塑料回收再登《Science》头条:一锅法将废塑料转化为高附加值产品
2020年10月23日    阅读量:2817    新闻来源:360资讯网 ChinaNews360.com  |  投稿

塑料已成为现代生活中不可或缺的部分,它的使用为人们带来了诸多便利,例如食物贮存、轻质车辆构造、建筑保温等等。正因如此,塑料的的需求和产量都非常惊人。在过去的70年中,全球合成的石油基塑料产量急剧增加,从1950年的不到200万吨增加到2015年的3.8亿吨,预计未来20年内产量将再次翻番涂料在线coatingol.com。其中,40%都是作为使用寿命极短的一次性用品,而且绝大多数塑料的回收成本高且很难在短时间内降解,只有不到10%的塑料被回收循环使用,如此累积,越来越多的塑料垃圾给环境生态带来了极大压力。

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图1:全球塑料制品的生产,使用和循环利用(1950年至2015年;百万公吨)。来源于DOI: 10.1126/sciadv.1700782

目前废塑料的回收方法通常是物理回收,即简单地洗涤聚合物,然后将其熔化并重塑。但是,这些再生塑料与原始塑料相比,不仅性能会变差,而且价值较低,不足以弥补回收、分类和处理等过程的成本。虽然化学回收方法原则上可以将某些塑料解聚为单体,但此过程能耗很高,需要大量的共反应物且条件苛刻,对其经济可行性提出了挑战。

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近日,加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的Susannah Scott等人提出了一种在低温下将废弃的聚乙烯转化为更高价值的长链烷基芳烃的创新方法。长链烷基芳烃是生产洗涤剂,润滑剂和制冷剂的重要成分,比聚乙烯塑料更有价值。目前,烷基化芳烃的生产主要是通过在500–600°C下对原油馏分石脑油进行重整以生产称为BTX(苯-甲苯-二甲苯)的混合物,然后在下一步使用强酸催化剂将其烷基化,从而进一步分离和废物处理方面的问题。而Susannah Scott等人将氢解和芳构化这两个化学反应结合在一起,只需要使用Pt/γ-Al2O3催化剂在280°C的温度下便将低密度聚乙烯直接转化为线性烷基芳烃的混合物(图2)。Zhang Fan和Zeng Manhao 为共同第一作者。

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图2:将聚乙烯直接转化成长链烷基芳烃的氢解-芳构化串联催化路线。

研究成果以“Polyethylene upcycling to long-chain alkylaromatics by tandem hydrogenolysis/aromatization”发表在《Science》上。而且,在同期的《PERSPECTIVE》中荷兰乌得勒支大学Bert Weckhuysen教授高度评价了Susannah Scott等人的研究成果,称:“这些发展将为发展循环塑料经济铺平道路,在循环经济中,塑料不是废物,而是有价值的原材料。”

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重磅成果来源于一次偶然的发现

该工作的奥秘在于:氢解和芳构化两个反应之间必须保持微妙的平衡,以避免产生不必要地价值较低的气体,例如甲烷、乙烷和丙烷、以及可能导致催化剂失活的焦炭沉积物。通过选择适当的反应温度(280℃)来实现微调,因为较高的反应温度(例如330℃)导致产生气体和挥发性烃。氢的分压足够高以实现氢解,但又足够低以避免所形成的有价值的烷基芳族化合物的氢化。

起初,Susannah Scott等人并没有想到将两个反应结合在一起。一次偶然的机会,当她们在尝试其他反应时,突然发现芳构化释放的氢正在与聚乙烯链反应,从而促使其分解为较短的链。完全解聚反应会将聚乙烯变回乙烯单体,并且过程中伴随着强烈的吸热。而将大分子与氢裂解以得到烷烃,是一个放热的过程。因此,将产生氢的反应与消耗氢的反应结合起来,便可以接近热中性。Susannah Scott等人立马意识到其中的重大意义,这是一种非常有潜力的串联催化路线,有可能将聚乙烯废料直接转化为高价值的产品。

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图3:整体PE转化为烷基芳烃和烷基环烷,以及通过脱氢环化提出的串联聚乙烯氢解/芳构化的机理。

新工艺的优势之处

这种创新的思路产生了一种新的串联催化方法,该方法不仅可以直接从废聚乙烯塑料中制造出高价值的烷基芳族分子,而且还可以高效,低成本,低能耗地进行。

优势一:反应温度低,适用性广。通常,需要500至1000°C的温度才能将聚烯烃链分解成小块,然后将它们重新组装成气体,液体和焦炭的混合产物,而新工艺的最佳温度则徘徊在280°C附近,降低了数百度。相对温和的反应条件有助于以更有选择性的方式将聚合物分解为润滑剂范围内的大多数较大分子。

优势二:不需要溶剂或添加氢。只需Pt/γ-Al2O3催化剂即可进行串联反应,既打破了聚乙烯分子中坚韧的碳-碳键,又重新排列了聚合物的分子“骨架”,从而产生高价值的长链烷基芳烃。

此外,为了验证该路线在实际的废塑料回收中的应用,研究人员使用了低密度聚乙烯塑料袋和高密度聚乙烯瓶盖来研究其高值化过程。结果表明,该工艺路线能够产生了平均碳原子数约为30的长链烷基芳烃和烷基环烷酸酯,且产率约为80%。尽管催化收率比低分子量聚乙烯模型化合物的转化率要低一些,但聚合物的密度和支化度对新开发的氢解-芳构化串联工艺影响不大。这表明,该工艺适用性广,具有很高的市场价值。


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图4:各种聚乙烯废弃物的无溶剂转化。

“由小分子烃类形成芳香分子是十分具有挑战的。”论文的第一作者Fan Zhang说道,“而在我们的催化路线中,由聚烯烃形成芳烃的过程中,氢作为副产物形成,并进一步切割聚合物链,从而使整个过程顺利进行,得到长链烷基芳烃,这是令人着迷的结果。”


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