全球专利申请趋势

关键技术领域

化学回收包括多种技术，这些技术通过化学变化将塑料废物转化为有用的产品（单体、化学品、燃料）。

热解（热分解）：热解涉及在无氧环境下加热废塑料，以将长聚合物链分解为较短的碳氢化合物分子（油、气、蜡、炭）。这是化学回收创新中占主导地位的技术。与热解相关的专利申请数量超过了所有其他方法，使其成为化学回收研发最活跃的领域。热解可以处理混合塑料流（尤其是聚烯烃如PE和PP），生产出的油可以精炼为燃料或化学原料。许多公司和研究人员正在申请热解反应器、催化剂和工艺集成的改进专利。例如，伊士曼化学公司的一项专利申请描述了一种集成的废塑料热解工艺和下游裂解为烯烃的过程。过去5-10年中热解专利的激增，在2020年后甚至超过了传统机械回收的专利数量。热解具有吸引力，因为它可以将混合或受污染的塑料（这些塑料难以通过机械回收）转化为有用的输出，如热解油（可用作石化厂的原料替代品）。产品质量（例如，当PVC或PET存在时，从热解油中去除杂原子）等挑战是创新的活跃领域。

化学解聚：解聚过程使用化学反应（通常与催化剂或试剂一起）将聚合物分解为单体或低聚物。例如，水解、醇解、甲醇解、胺解等，通常应用于缩合聚合物如PET或聚氨酯。这一类别是化学回收的第二大技术分支，专利活动显著增长。许多新创新集中在通过催化解聚将塑料分解为单体，以实现闭环回收。一项报告指出，金属催化解聚是一个有前景的新兴领域，尽管与热解相比专利数量仍然较少，但近年来有所上升。例如，加州大学伯克利分校的研究人员开发了一种有效的催化解聚聚乙烯和聚丙烯的工艺，使用价格合理的固体催化剂。这些工艺旨在克服早期限制（例如昂贵的可溶性催化剂）并使解聚更具商业可行性。PET的溶剂解聚（使用溶剂和催化剂将PET解聚为单体如BHET或DMT）一直是一个特别活跃的子领域，由PET单体的价值推动。在专利中，化学解聚/解聚现在在数量上仅次于热解，这表明在发明化学路径以回收单体方面势头强劲。值得注意的是，酶/生物解聚可以视为一个特殊情况，通过生物催化剂实现相同目标。

气化：气化涉及在高温（通常与受控的氧气或蒸汽反应）下将废塑料转化为合成气。合成气随后可用于合成新的化学品或燃料（如甲醇或费托液体）。气化在废物转化为能源方面是一项更成熟的技术，但与热解相比，在塑料领域的专利关注度较少。它通常是化学回收创新的一个较小部分。一些公司（例如三菱）探索了塑料废物的气化，但高能量输入和合成气净化等问题限制了其在塑料领域的应用。尽管如此，气化专利确实存在，通常集中在系统改进或将塑料与其他废物原料结合以生产合成气。

水热和超临界水工艺：水热处理使用高温和高压下的水（通常是超临界水，温度>374°C，压力>221 bar）分解塑料。这种方法可以在不需要催化剂的情况下，在水介质中分解聚合物，根据条件不同，生成燃料或单体。历史上，超临界水在塑料回收方面的兴趣导致了2000-2010年期间的一波专利申请，随后有所减少。2022年，超临界水工艺的新专利申请数量达到了自2009年以来的最高水平。这表明创新有所复苏，受到如英国Mura Technology的推动，该公司已为其超临界水工艺申请了专利，用于将混合塑料废物转化为碳氢化合物油。水热方法吸引人之处在于水可以作为溶剂/反应物，在比热解更温和的条件下分解塑料（包括含杂原子的塑料）。该领域的专利集中在反应器设计、优化分解的工艺条件以及将超临界水装置集成到回收系统中的改进。

生物和酶回收：生物降解和酶解聚涉及使用微生物或分离酶将塑料降解为较小分子。这种方法特别适用于聚酯（如PET）和聚酰胺，某些酶可以解聚这些材料。塑料废物管理技术领域多来源于大学和研究机构，其中欧洲的参与度特别高。重要的是，大学往往专注于化学回收（而非机械回收），大约三分之二的大学专利申请涉及回收工艺（而非简单回收），特别是先进的化学/生物方法，如化学解聚、热解或酶解聚。换句话说，学术界正在推动催化和生物基回收方法的前沿。例如，加州大学伯克利分校申请了关于聚烯烃催化解聚的专利，韩国科学技术院申请了关于新型回收催化剂的专利，以及各种研究机构申请了关于工程酶用于聚合物降解的专利。政府研究实验室和机构也有贡献，例如，在美国，能源部国家实验室申请了将塑料转化为燃料的工艺专利。通常，大学与公司合作或成立衍生公司（例如，Carbios从法国学术研究中分离出来）以商业化其创新成果。专利系统数据显示，初创公司和大学衍生公司正在成为重要参与者，仅在欧洲，过去十年中就有超过80家初创公司和60多所大学申请了与塑料回收相关的专利。

主要目标塑料类型

从回收的角度来看，并非所有塑料都是一样的，不同的聚合物需要不同的方法。专利趋势表明，创新者主要针对几种主要塑料树脂进行化学回收。

聚丙烯（PP）：聚丙烯（一种广泛用于包装、容器、薄膜等的聚烯烃）一直是化学回收的主要目标之一。PP相关的创新在专利申请中领先，在整个2010年代，PP是化学回收专利中提到最多的塑料。热解是PP的常见方法，还有催化裂化方法可以将PP分解为丙烯或燃料。PP在废物流中的普遍性和其在机械过程中易降解的特性使其成为化学回收解决方案的主要候选。许多来自石油和化学公司（例如雪佛龙关于聚乙烯/PP裂化的专利）和大学的专利解决了PP转化问题。尽管PP仍然是一个关键焦点，但其在新专利活动中的相对份额最近被PVC和PET等塑料超越，表明正在多样化。

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）：PET（通常用于瓶装和聚酯纤维）在化学回收创新中具有显著的势头。在最新数据中，PET相关的专利申请增长速度超过大多数其他塑料，PET成为新化学回收专利中排名第二的塑料（超过PP）。PET可以通过解聚（例如通过醇解、甲醇解或酶水解）分解为单体如BHET、DMT或乙二醇，这些单体可以用于制造新的PET。因此，许多专利旨在实现PET的闭环回收。例如，Carbios在酶促PET分解方面的专利是该领域的一个关键发展。其他公司（如伊士曼、杜邦等）持有将PET废物转化为单体或其他产品（如伊士曼的甲醇解技术用于地毯/聚酯回收）的化学工艺专利。PET的创新势头很高，这反映了PET的回收价值（高质量的再生单体）以及外部驱动因素，如饮料行业承诺使用再生PET。预计PET将继续成为专利活动的热点，特别是随着新的酶促和催化解聚方法的推出。

聚氯乙烯（PVC）：PVC（用于管道、乙烯基产品、包装等）由于其高含氯量和稳定剂，传统上非常难以回收。值得注意的是，PVC已成为近期化学回收创新的主要焦点，专利申请加速增长。事实上，PVC超过了所有其他塑料，成为与最多新化学回收专利申请相关的聚合物。创新者针对PVC是因为其机械回收有限（会降解并释放HCl），因此需要化学方法来处理PVC废料。该领域的专利包括处理或中和PVC释放的HCl（防止腐蚀和毒素形成）的过程，以及将PVC转化为有用输出的方法（例如，通过添加物进行PVC的热解以捕获氯，或通过化学解聚去除氯并生成碳氢化合物）。PVC在专利文献中的增长势头可能既反映了对PVC处置环境问题的应对，也反映了处理其化学挑战的技术进步。大学和公司（如索尔维在PVDC/PVC回收方面的工作）正在积极申请PVC解决方案的专利，鉴于PVC在建筑和医疗废物中的广泛使用，这一创新的激增是一个关键的发展。

聚乙烯（PE）：聚乙烯（包括HDPE和LDPE）是产量最大的塑料（例如用于薄膜、包装、容器）。它在化学上与聚丙烯相似，通常通过热解在回收工作中进行处理。许多热解专利涵盖了混合聚烯烃流（PE + PP），旨在将它们转化为油或中间碳氢化合物。然而，PE在按聚合物划分的专利分析中并不突出，可能是因为发明通常不会单独针对PE，它们通常将聚烯烃作为整体处理。尽管如此，聚乙烯的催化裂化和热降解方法在专利文献中得到了很好的体现（例如，SABIC和巴斯夫的几项专利针对聚烯烃热解）。

聚苯乙烯（PS）及其他：聚苯乙烯（例如EPS泡沫、包装、电子产品外壳）及其他塑料如聚氨酯（PUR）、聚碳酸酯（PC）、聚酰胺（PA）等，各自具有小众的专利活动。聚苯乙烯可以通过热或化学方法解聚回苯乙烯单体；Agilyx（及其合作伙伴）等公司已申请此类工艺的专利。虽然专注于PS的专利数量少于三大主要塑料（PP、PET、PVC），但针对PS回收的创新（特别是处理泡沫废料）一直有稳定的小幅度增长。聚氨酯（例如泡沫）是专利使用化学解聚（如醇解或胺解将泡沫分解为多元醇，科思创和巴斯夫在此领域拥有专利）的目标。聚碳酸酯和丙烯酸树脂在解聚为其单体（双酚A、甲基丙烯酸甲酯等）方面也有专利活动。橡胶（轮胎），虽然不是塑料，但作为相关聚合物废料，普利司通和米其林等公司已申请热解和脱硫方法的专利，通常归类于这一领域。近年来，针对持久性聚合物污染物（如微/纳米塑料甚至PFAS）的专利出现激增，尽管这些通常归类于废物处理而非传统回收，这表明创新范围正在扩展以涵盖更广泛的塑料废物挑战。