特別說明：本文由米測(cè)技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識(shí)。因?qū)W識(shí)有限，難免有所疏漏和錯(cuò)誤，請(qǐng)讀者批判性閱讀，也懇請(qǐng)大方之家批評(píng)指正。
原創(chuàng)丨米測(cè)MeLab
編輯丨風(fēng)云
研究背景
塑料垃圾堆積是地球面臨的重大環(huán)境挑戰(zhàn)。全球每年生產(chǎn)3.8億噸塑料，近 75%在一次性使用后就被丟棄。尤其是聚乙烯 (PE) 和聚丙烯 (PP)，占所有塑料的60%，是廢棄垃圾的很大一部分。為了有效阻止塑料垃圾堆積趨勢(shì)并最大限度地減少碳排放，必須按照《京都議定書》和《巴黎協(xié)定》提高回收率并延長材料的使用壽命。
關(guān)鍵問題
然而，廢塑料回收主要存在以下問題：
1、傳統(tǒng)回收策略獲得的再生塑料質(zhì)量下降，市場價(jià)值低
傳統(tǒng)回收策略如機(jī)械回收雖然有助于閉合塑料循環(huán)，但會(huì)導(dǎo)致再生塑料的質(zhì)量下降，進(jìn)而導(dǎo)致其市場價(jià)值降低。經(jīng)過多次循環(huán)后，塑料最終會(huì)報(bào)廢。
2、使用廢塑料制備高值化學(xué)品存在對(duì)鏈長及其分布控制的技術(shù)挑戰(zhàn)
在使用報(bào)廢塑料（如PE和PP）生產(chǎn)高價(jià)值化學(xué)品的過程中，控制聚烯烴熱解產(chǎn)物的碳?xì)浠衔镦滈L和分布是一個(gè)主要的技術(shù)挑戰(zhàn)。這涉及到需要高溫和長反應(yīng)時(shí)間來熱解這些化學(xué)惰性的聚烯烴，以及后續(xù)的氫化和分餾過程。
新思路
有鑒于此，弗吉尼亞理工大學(xué)劉國良、喬銳等人報(bào)告了一種溫度梯度熱解策略，用于將聚乙烯和聚丙烯轉(zhuǎn)化為具有可調(diào)摩爾質(zhì)量分布的碳?xì)浠衔铩Ｕ麄€(gè)熱解過程無需催化劑和氫氣。具有定制溫度梯度的聚乙烯和聚乙烯/聚丙烯混合物的熱解產(chǎn)生了平均鏈長約為C14的油，該油具有合成有用α-烯烴含量高的特點(diǎn)。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬表明，調(diào)節(jié)反應(yīng)器壁溫是調(diào)整碳?xì)浠衔锓植嫉年P(guān)鍵。隨后用硫酸氧化所得的α-烯烴并用氫氧化鉀中和，得到具有優(yōu)異發(fā)泡性能和乳化能力以及低臨界膠束濃度的硫酸鹽洗滌劑。總體而言，這項(xiàng)工作提供了一種從廢舊塑料中生產(chǎn)增值化學(xué)品的可行方法，從而提高了人為碳循環(huán)的循環(huán)性。
技術(shù)方案：
1、證實(shí)了通過溫度梯度熱解實(shí)現(xiàn)廢舊塑料中生產(chǎn)增值化學(xué)品的可行性
作者通過調(diào)節(jié)熱解溫度梯度，從塑料廢物中高效生產(chǎn)高α-烯烴含量油，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)化學(xué)循環(huán)。
2、證實(shí)了通過改變溫度梯度可以有效調(diào)節(jié)聚烯烴熱解產(chǎn)物的鏈長和分布
作者研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)溫度梯度，PP和PE熱解產(chǎn)物從蠟轉(zhuǎn)變?yōu)橛停?烯烴選擇性提高，為塑料廢物高值化提供新方法。
3、展示了將混合塑料廢物可轉(zhuǎn)化為可持續(xù)乳化劑過程
作者將PE和PP熱解油通過硫酸化轉(zhuǎn)化為洗滌劑，具有優(yōu)異的潤濕性、起泡性和乳化能力。
技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
1、提出了溫度梯度熱解策略實(shí)現(xiàn)了廢塑料的高值化回收升級(jí)
作者通過使用簡單的冷卻設(shè)計(jì)控制熱解溫度梯度，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品烴從蠟到油的轉(zhuǎn)移，并顯著提高了α-烯烴的含量。這種策略改變了傳統(tǒng)的熱解方法，無需催化劑和氫氣，整個(gè)熱解過程更為環(huán)保和經(jīng)濟(jì)。
2、實(shí)現(xiàn)了將聚乙烯和聚丙烯轉(zhuǎn)化為具有可調(diào)摩爾質(zhì)量分布的碳?xì)浠衔?/span>
作者利用具有定制溫度梯度的聚乙烯和聚乙烯/聚丙烯混合物的熱解，產(chǎn)生了平均鏈長約為C14的油，該油具有合成有用α-烯烴含量高的特點(diǎn)。這種方法提供了一種從廢舊塑料中生產(chǎn)增值化學(xué)品的新途徑，提高了人為碳循環(huán)的循環(huán)性。
技術(shù)細(xì)節(jié)
PE轉(zhuǎn)化
本研究通過控制熱解工藝中的溫度梯度，實(shí)現(xiàn)了從聚乙烯和聚丙烯中生產(chǎn)高α-烯烴含量的油。通過將反應(yīng)器底部設(shè)置為高溫T1以誘導(dǎo)聚合物斷鏈，冷凝器壁設(shè)置為低溫T2以淬滅火山反應(yīng)并冷凝產(chǎn)物，成功地調(diào)節(jié)了烴的分布，從蠟轉(zhuǎn)移到油中。通過調(diào)節(jié)冷凝區(qū)的T2，能夠控制產(chǎn)物鏈長，產(chǎn)生以C14為中心的碳?xì)浠衔铩Ｓ?jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬顯示，調(diào)節(jié)反應(yīng)器壁溫是調(diào)整碳?xì)浠衔锓植嫉年P(guān)鍵。這種方法無需催化劑和氫氣，提供了一種從廢舊塑料中生產(chǎn)增值化學(xué)品的可持續(xù)方式，提高了人為碳循環(huán)的循環(huán)性。
圖 控制塑料熱解產(chǎn)生的碳?xì)浠衔锂a(chǎn)物分布
PP及混合塑料的轉(zhuǎn)化
作者接著探討了聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）在不同溫度梯度下的熱解行為。當(dāng)T2設(shè)定為28°C時(shí)，PP熱解主要產(chǎn)生蠟，而提高至90°C時(shí)，熱解油成為主要產(chǎn)物，產(chǎn)率達(dá)61.7%。PP熱解油富含2,4-二甲基-1-庚烯，且38.3 wt%的PP轉(zhuǎn)化為氣體。PE/PP混合物的熱解顯示，T2升高時(shí)，產(chǎn)物從蠟轉(zhuǎn)移到油，且油的摩爾質(zhì)量低于蠟。GC-MS分析表明，PP油中α-烯烴占主導(dǎo)，且PP的存在導(dǎo)致油中產(chǎn)生少量環(huán)烷烴。混合塑料廢物衍生油對(duì)α-烯烴的選擇性略高于純HDPE油。這些結(jié)果證實(shí)了通過改變溫度梯度可以有效調(diào)節(jié)聚烯烴熱解產(chǎn)物的鏈長和分布，為塑料廢物的高值化利用提供了新途徑。
圖 調(diào)整PP和混合PE75/PP25熱解產(chǎn)生的烴類產(chǎn)物的摩爾質(zhì)量
升級(jí)為硫酸鹽洗滌劑
最后，作者展示了將PE和PP熱解油轉(zhuǎn)化為洗滌劑的過程。首先，熱解油與濃H2SO4反應(yīng)生成烷基硫酸氫鹽（AHS），再用KOH中和得到離子洗滌劑。PE油和PP油的α-烯基在硫酸化后轉(zhuǎn)化為AHS，而內(nèi)部烯烴未受影響。洗滌劑的性能通過接觸角測(cè)量、泡沫持續(xù)性和乳化能力測(cè)試進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果顯示，PE衍生洗滌劑在潤濕性和起泡性方面優(yōu)于PP和混合洗滌劑，而PP洗滌劑的低泡特性適用于工業(yè)應(yīng)用。此外，PE75/PP25洗滌劑表現(xiàn)出與純PE洗滌劑相當(dāng)?shù)娜榛阅埽砻骰旌纤芰蠌U物可轉(zhuǎn)化為可持續(xù)乳化劑。PE和PE/PP混合物衍生的洗滌劑具有較低的臨界膠束濃度（CMC），即使在低濃度下也表現(xiàn)出色，與基準(zhǔn)洗滌劑如SDS相比性能更優(yōu)。
圖 將PE熱解油升級(jí)改造為硫酸鹽洗滌劑
圖 測(cè)定PE、PP、PE75/PP25和SDS洗滌劑的潤濕性
圖 硫酸鹽洗滌劑的物理化學(xué)性質(zhì)
展望
總之，這項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)了一種可行的化學(xué)升級(jí)再造策略，可以從塑料廢棄物中獲取高價(jià)值產(chǎn)品，同時(shí)有助于實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。所提出的方法可以潛在地減少洗滌劑制造中的石化產(chǎn)品消耗。與使用植物基油脂化學(xué)品（例如農(nóng)業(yè)脂肪酸）相比，目前的工藝不會(huì)與食物資源競爭原材料或占用任何農(nóng)業(yè)用地。基于塑料廢物的洗滌劑行業(yè)不會(huì)像油脂化學(xué)品那樣加劇森林砍伐，因此提供了一種獲取洗滌劑的可持續(xù)方法。使用冷卻液來調(diào)節(jié)溫度梯度和控制熱解產(chǎn)物分布證明了溫度梯度熱解從低成本塑料廢棄物資源中獲取洗滌劑前體的多功能性、有效性和實(shí)用性。
參考文獻(xiàn)：
Munyaneza, N.E., Ji, R., DiMarco, A. et al. Chain-length-controllable upcycling of polyolefins to sulfate detergents. Nat Sustain (2024).
https://doi.org/10.1038/s41893-024-01464-x
