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废旧塑料的化学回收会是新风口吗?

来源:国际塑料商情     发布时间:2021-01-20
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环保政策不断加码,应对塑料污染问题已经被提上日程。来自《中国再生塑料行业发展报告(2019-2020)》的数据显示,2019年中国产生废塑料6300万吨,其中填埋量为2016万吨,占比32%;焚烧量1953万吨,占比31%;遗弃量为441万吨,占比7%;回收量为1890万吨,较2018年的1830万吨增加60万吨,增幅3.3%,废塑料总体回收利用率为30%。


治理塑料污染,加大塑料回收能力是绕不过去的一环。目前,消费后塑料主要通过机械回收(也称“物理回收”)进行,这种回收体系目前已经运行了数十年,对于治理污染起到了重要作用。然而,受制于塑料分拣难度大、成本高、再熔融过程中间熔体质量降低等因素,机械回收的再生塑料应用限制比较多,大部分只能用作低值产品,还有很多材质的塑料产品无法实现回收。


近年来,不少国际化工巨头纷纷加速在塑料回收领域布局,特别是化学循环(也称“化学回收”),由于化学回收能在几乎不损失塑料任何性能的情况下制造出原生级塑料,已经成为化工企业眼中的“香饽饽”。各种科研机构也纷纷行动起来,携手企业共同打造更具可持续性的塑料价值链,并尽可能多地回收其价值。


科学界积极探索化学循环的各种可能


◆新的化学工艺过程让塑料袋成为黏合剂


疫情开始后,众多居民每天足不出户线上买菜,送货上门。在享受便利的同时,人们有了另一层隐忧——原来超市收费的购物袋,线上交易就免费赠送。此外,集贸市场的塑料袋随取随用、快递盒上的胶带越缠越多、商品的包装越来越多……数据显示,截至2019年,我国塑料袋年使用量超过400万吨。它们除了被填埋和焚烧,还有哪些去处呢?


当地时间12月17日,《Chem》杂志发表论文称,美国加州大学伯克利分校(UCB)的研究人员开发了一种新的化学工艺过程,有望铲除塑料回收“痼疾”。UCB研究人员、项目负责人JohnHartwig等人在聚乙烯聚合物中引入羟基(-OH),这不仅保留了聚乙烯的诸多原始特性,还使其能够黏附在金属表面。在长链聚合物的特定位置引入小型基团并制造新功能聚合物的反应难度很高,因为塑料具有突出的低反应性。


Hartwig说道:“聚乙烯链是由亚甲基构成的长链。我们希望找到一种高活性催化剂,实现亚甲基功能化。”Hartwig提及的催化剂必须能在高温和非极性溶剂中工作。最终,Hartwig与博士后研究员LiyeChen找到了一种符合要求的钌基催化剂——多氟钌卟啉。在这种催化剂的作用下,反应生成了一种能牢牢黏附在金属铝上的聚乙烯化合物。研究人员还发现,在聚合物中加入少量乙醇,可以使黏附力增强约20倍。


◆使用溶剂回收多层塑料中的聚合物


多层塑料材料被广泛应用于食品和医疗用品包装,它们功能强大,但却难以通过传统方法回收。当地时间11月20日,《科学进展》杂志发文称,威斯康星大学麦迪逊分校的工程师们开发了一种使用溶剂回收多层塑料中聚合物的工艺。这项被称作“溶剂靶向回收沉淀技术”(STRAP)的新工艺,有望大幅减少塑料污染。


STRAP在聚合物溶解度热力学计算的指导下进行溶剂洗涤及分离回收。化学和生物工程学教授GeorgeHuber和ReidVanLehn与他们的学生一起使用STRAP技术对一种商用聚合塑料中的聚合物进行了分离,这种商用塑料的组成成分包括常见的聚乙烯、乙烯-乙烯醇和聚对苯二甲酸乙二醇酯。


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从最后的结果来看,分离得到的聚合物和制作原始塑料薄膜的聚合物具有类似的化学性质。


Huber表示,接下来还会尝试将STRAP工艺应用于其他多层塑料。


研究团队希望利用回收的聚合物重新生产塑料材料,以实现塑料生产-使用-回收-再生产的闭环循环。新工艺依赖于VanLehn开发的算法——仿真溶剂类导体筛选模型(COSMORS)。COSMO-RS能够计算出目标聚合物在不同温度混合溶剂中的溶解度,从而缩小潜在可用混合溶剂的选择范围。随后,研究人员可以通过实验选出能用于聚合物回收的溶剂。


◆更快更有效的化学回收过程使生物塑料保持混合状态


为了促进碳的无限循环再生、助力循环经济的创建,伯明翰大学和巴斯大学的科学家团队开发出了一种更快、更有效的回收利用植物性"生物塑料"的方法。该团队的化学回收方法不仅可以加快回收过程,还可以转化为一种新产品——可生物降解的溶剂,可用于化妆品和制药等多种行业。


由聚乳酸(PLA)制成的生物塑料,在一次性杯子、包装材料甚至儿童玩具等产品中越来越常见。通常情况下,一旦它们的使用年限到了,就会被填埋或堆肥,在长达数月的时间内进行生物降解。在一项新的研究中,研究人员发现,利用巴斯大学开发的锌基催化剂和甲醇的化学过程,可以用来分解真正的消费塑料,并生产出绿色溶剂——乳酸甲酯。他们的研究结果发表在《Industrial&EngineeringChemistryResearch》杂志上。


该团队在三种不同的聚乳酸产品上测试了他们的方法,一个一次性杯子、一些3D打印机废料和一个儿童玩具。他们发现,杯子在较低的温度下最容易转化为乳酸甲酯,但即使是儿童玩具中的塑料也可以用较高的温度进行转化。“我们很兴奋地看到,尽管着色剂、添加剂、大小甚至分子量有所不同,无论样品的特性如何,都可以获得大量的绿色溶剂。”论文主要作者,伯明翰大学化学工程学院的LuisRomán-Ramírez说道。


该方法已尝试到300毫升,下一步将进一步扩大反应器的规模,然后将其用于工业环境中。这项研究得到了工程和物理科学研究委员会的资助。


品牌商、化工大咖看好“化学循环”前景


化学循环的原理是通过高温、催化剂等方式将废塑料热裂解成原油甚至单体原料,通过提纯、分馏等步骤重新回收,再聚合利用。目前,一些品牌商以及巴斯夫、SABIC、陶氏公司、伊士曼等多家化工巨头对这项消费后塑料回收技术表示出巨大兴趣。


◆奥迪与KIT合作回收汽车塑料可节约资源、减少汽车生产成本


在大多数情况下,虽然同类型的汽车塑料通常可以用机械方法回收,但回收混合型塑料废料始终是一项重大挑战。为此,奥迪(Audi)与德国卡尔斯鲁厄理工学院(KarlsruheInstituteforTechnology,KIT)大学合作启动了一项化学回收试点项目,作为“工业资源战略”智库的一部分,以便将此类混合型塑料部件重新投入资源节约循环系统。


该试点项目名为“汽车工程中塑料的化学回收”(ChemicalRecyclingofPlasticsinAutomotiveEngineering),目标是建立塑料的智能循环系统,使化学回收成为机械回收的补充方法,并替代能量回收法。与KIT合作,奥迪打算初步测试该化学回收法的技术可行性,并评估该方法造成的经济和环境影响。为此,奥迪需要提供报废后的塑料部件,例如,从奥迪德国经销商网络中回收的油箱、车轮饰件和散热器格栅等。此类塑料部件利用化学回收法被处理成热解油,在项目中期,由热解油制成的部件可再次用于汽车。


据了解,奥迪是首个在试点项目中测试化学回收法的汽车制造商之一,该项目采用的都是来自量产汽车的塑料。


◆SABIC可循环聚烯烃材料打造创新、优质且安全的丰富包装案例


SABIC的TRUCIRCLETM产品组合和服务是实现闭环和创造塑料循环经济之旅中的一个重要里程碑。它可以帮助制造商通过使用可持续材料来减少塑料浪费。TRUCIRCLETM产品组合涵盖可回收性、物理回收产品、废塑料原料回收的认证循环产品、生物基原料认证的可再生产品的设计以及闭环领先方案。


我们今天重点要谈的是SABIC在化学回收领域的表现,SABIC由混合塑料废弃物通过化学回收法制成且已获ISCC认证的循环聚合物,性能与传统产品无异,已被广泛用于开发创新、优质且安全的包装解决方案,诸多案例更是让人大开眼界。


例如,欧洲最大的零售商店运营商施瓦茨集团(SchwarzGroup)启动了一项试点项目,在蔬菜包装中使用SABIC经认证的可循环聚乙烯(PE)制成的透明薄膜袋。该项目包括SABIC的TRUCIRCLETM投资组合中各种基于混合塑料和废旧塑料的PE技术。


在2020年成功试点之后,玛氏公司将采用SABIC公司的TRUCIRCLETM产品组合中获得认证的可循环PP聚合物制作一些热门宠物食品品牌的主要包装。认证的可循环PP食品级材料是通过低质量的原料回收生产,这项技术通过在无氧环境中对塑料进行高温加热来分解塑料,从而产生热解油。用这种热解油,就像使用化石原料一样,提供能够满足严格质量要求(比如食品包装的卫生标准)的新材料。玛氏公司计划在2021年增加可循环PP的使用数量,并将其推广到其他品牌。


由MelittaSinglePortions推出的新品牌Avoury®正在与SABIC的TRUCIRCLETM解决方案和服务组合合作,开发其具有开创性的新型优质有机茶胶囊,该胶囊由认证的循环聚丙烯(PP)制成,并使用废塑料制成。这一推出标志着该行业对回收透明塑料茶胶囊的创新使用。


◆利安德巴赛尔最新分子回收中试车间正式投运


2020年9月,利安德巴赛尔宣布该公司在其意大利费拉拉基地建造的MoReTec分子回收车间正式投运。新设施将运用利安德巴赛尔专有的MoReTec先进回收技术,该技术的目标是将通常难以回收的塑料废料(如多层薄膜)转化为分子状态,用来生产用于所有应用的新塑料的原料,包括食品接触和医疗保健产品。


利安德巴赛尔认为这种方法具有巨大的潜力,因为它使用的能源更少,化学转化过程更快,消耗的热量更少。


据了解,利安德巴赛尔的MoReTec技术所生产的新塑料可用于食品包装和医疗保健产品,而这些应用必须满足严格的监管要求。利安德巴赛尔积极开展基础研究,引领聚合物行业向先进的塑料回收方向发展。2018年7年,该公司宣布与德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)合作,共同推进分子回收工作。双方通过一系列实验性操作,证明了MoReTec技术的效率。2019年10月,公司宣布建设费拉拉中试车间。目前,该公司在德国、意大利和美国的研发团队正在积极探索这项技术的潜在商业化规模应用。


这座中试车间现在每小时可处理5到10公斤的家庭塑料垃圾。中试的目的是了解在分子回收的过程中,各类废弃物之间的相互作用、测试不同的催化剂,并确定将塑料垃圾分解成分子所需的工艺温度和时间。该公司的目标是在未来几年内完成中试,然后计划建造新厂,启动大规模量产。


◆伊士曼分子回收法让废弃软包装和塑料薄膜拥有“新生”


伊士曼承诺到2030年,凭借分子回收技术每年回收超过5亿磅的塑料废弃物,到2025年凭借这些技术每年回收超过2.5亿磅的塑料废弃物。此外,其将通过不断增强对更复杂产品的回收能力来促进回收系统的改进,以及通过参与各项计划和合作加大回收力度。


TritanRenew是伊士曼通过分子回收法(molecularrecycling)向市场推出的首款环保材料,它采用再生塑料作为原料,降低了对于化石原料的消耗并减少了碳足迹。含有经认证的再生成分的TritanRenew可用于生产各种耐用品,包括可重复使用的运动水壶、小家电、食物储存容器、眼镜,以及纺织品和化妆品的包装。这些产品中的再生成分遵循ISCC(国际可持续发展和碳认证)认证的“物料平衡”(MassBalance)核算原则。


相较于以化石基燃料为原料的产品生产工艺,伊士曼的分子回收技术——包括碳再生技术(CRT)与聚酯再生技术(PRT)——的碳足迹显著降低。伊士曼的分子级循环创新工艺能够无限次地将废弃塑料降解到分子层面,旨在实现真正的可持续循环未来。


碳再生技术(CRT)是伊士曼推出的两项分子层面的循环回收创新技术之一,旨在实现几乎所有类型塑料的无限循环。该技术可将塑料废弃物转化为碳、氧、氢等基础分子,为包括一次性塑料、纺织品与毛毯等在内的诸多产品中大量存在的塑料提供终期处理方案,解决传统机械循环回收技术无法处理的难题,从而避免土地填埋或焚烧所造成的环境污染。2020年下半年,伊士曼的碳再生技术被一份关注环境和可持续发展的出版物评选为年度最佳项目,该技术作为一项创新的循环回收技术,可用于处理几乎所有的塑料废弃物。


另一项先进的循环回收技术是聚酯再生技术,可处理聚酯塑料废弃物。伊士曼先进的聚酯再生技术通过甲醇的分解工艺将聚酯产品分解为聚合单体,这些单体可以重新引入到新的聚酯基聚合物的生产中,实现了真正意义上的循环解决方案。


通过这两项技术,伊士曼赋予了大量通常被丢弃的塑料废弃物新的价值和用途,这些工艺也降低了温室气体足迹。


◆巴斯夫开辟循环经济新思路


近期,巴斯夫启动了一项新的循环经济计划,力争到2030年将循环经济解决方案相关销售额实现翻倍,达到170亿欧元。为了实现这一目标,公司正聚焦原料循环、新材料循环和新业务模式三大领域。巴斯夫计划到2025年每年加工25万吨再生、废弃物原料,以取代化石原料。


化学回收作为机械回收的重要补足方案,为实现塑料循环经济另辟蹊径。化学回收将塑料废弃物转化为二次原料,例如通过一种称为热解的热化学工艺,获得的热解油可用于化工行业制造新产品。为了推进这一前景广阔的技术,巴斯夫已于2018年启动“化学循环”项目(ChemCyclingTM)。巴斯夫研发人员正携手合作伙伴,致力于深入开发、改良工艺,从混合塑料废弃物中生产热解油。


为新工艺技术开发合适的催化剂便是其中重要的一环。这些催化剂需确保新工艺不受塑料废弃物的构成影响,始终能生产出高纯度的裂解油。第一代催化剂已用于巴斯夫挪威合作伙伴Quantafuel公司的热解装置。


事实上,在K2019展前新闻发布会上,巴斯夫及其合作伙伴就曾展示过化学循环项目试点阶段取得的初步成效。捷豹路虎(JaguarLandRover)为其第一款电动SUVi-Pace开发的一款塑料前端托架原型采用巴斯夫的再生塑料Ultramid®B3WG6CcycledBlack00564制成;保护包装和技术模块供应商施托罗湃科(Storopack)使用Styropor®PCCycled制造对温度敏感的医药产品的阻热包装,以及运输新鲜鱼的箱子和电子设备的保护包装;能源管理和自动化数字化转型的领先企业施耐德电气(SchneiderElectric)采用化学回收制成的UltraMid®材料制造了一个断路器……


◆陶氏公司采用创新化学回收扩大废塑回收利用


2019年,陶氏宣布正与荷兰化工企业FuenixEcogyGroup合作,致力于将废塑转化为热解油,以扩大废塑回收利用。陶氏表示,计划在其位于荷兰Terneuzen的工厂实施该工艺,并将其作为回收主体工艺。


据悉,用新工艺生产的热解油制造的塑料可媲美用原油制造的塑料。


公开报道显示,到2025年,该项合作将帮助陶氏利用至少10万吨再生塑料来制造产品并投入欧盟市场。


结论


上面介绍的一些化学回收案例仅仅是时代浪潮中的几朵浪花,还有很多公司和科研机构也都为废旧塑料的再生使尽浑身解数。化学回收虽然已经吸引了不少的研究院所、品牌商和化工大咖参与其中,然而,现有的将废旧塑料转化为可回收原料的技术必须先进并适应于工业规模的使用。此外,为了使化学回收在市场上得到认可,监管机构的认可以及化学回收的经济效益必须被纳入考虑。


(本文素材来源:巴斯夫、SABIC、陶氏公司、伊士曼、利安德巴赛尔、雅式橡塑网、科技日报等公开报道)





本刊编辑组稿:班红芳



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