针对混杂塑料废物的选择性化学回收丨Nature系列综述！
随着全球化进程加速和商品生产交换持续增长，废弃物管理在过去一个世纪经历了深刻变革。尽管20世纪60至70年代环境意识的提升推动了主要环保机构的成立和国际协议的签署，但垃圾填埋和焚烧仍然是全球主流的废弃物处理方式。目前，全球每年约有3.6亿吨塑料废弃物被丢弃，而塑料的全球回收率仅为9.5%，这一数字几乎完全依赖机械回收实现。然而，机械回收在处理复杂废弃物时面临显著局限：塑料废弃物往往包含多种聚合物化学组成、多材料产品结构、各类添加剂以及外部污染物，这种复杂性导致回收材料质量下降、加工性能变差，通常只能实现“降级回收”。因此，开发能够从复杂废弃物中选择性回收特定聚合物的技术成为推动塑料循环经济的关键。
面对这一挑战，西班牙巴斯克大学Haritz Sardón课题组系统评估了溶剂法和解聚法两种选择性回收技术的发展前景。该综述指出，溶剂法回收和解聚技术能够在化学和成分异质性极强的塑料废弃物中，实现特定聚合物的选择性提取或转化为高价值单体，展现出超越传统机械回收和热化学回收的巨大潜力。尽管这些技术尚不如机械回收成熟，但它们为应对复杂、多组分、受污染的塑料废弃物提供了可行的技术路径。相关论文以“Towards selective recycling technologies for complex plastic waste”为题，发表在Nature Reviews Materials上。
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四种回收技术的选择性对比
文章通过图示对比了四种塑料回收技术的工作机制与选择性差异。机械回收和热化学回收在面对含有添加剂和污染物（图中以星形标记表示）的异质性废弃物时，选择性较低，难以有效分离不同聚合物组分。相比之下，溶剂法回收和解聚法能够从多元基质中更精确地锁定目标聚合物——前者以聚合物链形式提取，后者则将其分解为单体或低聚物。图中还展示了不同类型废弃物（包括包装、纺织品、电子电器废弃物以及工程材料）中典型的聚合物组成，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚酰胺（PA）、聚氨酯（PU）、聚碳酸酯（PC）以及丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）等，凸显了不同应用场景下废弃物成分的高度异质性。
图1 | 复杂塑料废物回收的策略与挑战。 a，塑料废物回收技术包括机械回收、热化学回收、溶剂法回收和解聚。当应用于含有添加剂和污染物（以星号表示）的异质废物流时，不同方法具有不同程度的选挥性。b，混合塑料废物流是复杂的，不同应用领域的产品典型组成各异。ABS，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物；BPA-PC，双酚A型聚碳酸酯；FRP，纤维增强聚合物；PA，聚酰胺；PE，聚乙烯；PET，聚对苯二甲酸乙二醇酯；PLA，聚乳酸；PP，聚丙烯；PS，聚苯乙烯；PU，聚氨酯；PVC，聚氯乙烯；WEEE，废弃电子电器设备。
塑料包装废弃物的组成与选择性回收策略
包装是塑料废弃物的主要来源之一，图中呈现了2018年美国城市固体废弃物中塑料占12.2%的数据，以及2019年全球塑料包装废弃物中各聚合物的占比情况。针对包装废弃物的复杂性，研究者开发了多种选择性回收方法。其中，利用1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸-5-烯（TBD）和叔丁醇钾的有机催化解聚体系，可在100°C条件下、15分钟内将含铝或染料的PET废弃物转化为对苯二甲酸双羟乙酯（BHET），产率超过90%。对于饮料纸基复合包装（含PE、粘合剂、纸张和PA），研究者提出了一种溶解与解聚相结合的分步工艺。此外，针对含添加剂的聚苯乙烯泡沫包装，光氧化降解方法利用FeCl₃作为光催化剂，通过氢攫取和氧气氧化使聚合物主链均裂，将其转化为含苯甲酰基的小分子产物。这些案例展示了从简单瓶体到多层复合材料的不同包装废弃物处理路径。
图2 | 塑料包装的组成与选择性回收策略。 a，塑料是城市固体废物的显著组成部分，占2018年美国产生的2.924亿吨城市固体废物的12.2%。数据来源：参考文献33。b，2019年全球塑料包装废物中不同聚合物的估计百分比（橙色柱）以及每种聚合物在总计1.42亿吨塑料包装废物中的相应数量（蓝线）。数据来源：参考文献34的估算。c，使用1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸-5-烯和叔丁醇钾，对聚对苯二甲酸乙二醇酯与铝或聚乙烯的混合物进行选择性有机催化解聚，对苯二甲酸双(2-羟乙基)酯产率>90%。d，一种结合解聚和选择性溶解的方法，用于回收含有聚乙烯、粘合剂、纸张和聚酰胺的饮料纸盒。e，含添加剂泡沫包装中聚苯乙烯的光氧化降解方法。HDPE，高密度聚乙烯；LDPE，低密度聚乙烯；PP，聚丙烯；PVC，聚氯乙烯；THF，四氢呋喃。
纺织废弃物的组成与选择性回收策略
纺织品回收是另一重要应用领域。图中数据显示，2024年全球纤维总产量达到1.32亿吨，其中聚酯占50%，棉占25%。针对纺织品的复杂性，研究者开发了多种选择性溶解和解聚方法。例如，利用二甲基甲酰胺（DMF）可选择性地从与PA 6的共混物中溶解PU纤维。酶法解聚也展现出良好的应用前景：先使用蛋白酶将羊毛分解为氨基酸，再使用纤维素酶将棉分解为葡萄糖，而PET纤维在此过程中保持完整。更为综合的策略是将解聚与溶解相结合，处理含PET、棉、PA 6和氨纶的复杂混纺织物：使用氧化锌催化剂进行微波辅助解聚，PET转化为BHET，氨纶共解聚生成含二苯甲烷的分子（包括4,4'-二氨基二苯甲烷），棉和PA 6随后通过选择性溶解分离。技术经济分析表明，这一工艺在处理难回收的纺织废弃物时具有经济可行性。
图3 | 纺织品废物的组成与选择性回收策略。 a，2024年全球纤维总产量为1.32亿吨。数据来源：参考文献76。b，从与聚酰胺6的混合物中选择性溶解聚氨酯纤维的方法，使用二甲基甲酰胺作为溶剂。c，羊毛和棉与聚对苯二甲酸乙二醇酯共混物中的顺序酶解法聚。d，一种结合解聚和溶解的方法，用于选择性回收含有聚对苯二甲酸乙二醇酯、棉、聚酰胺6和氨纶纤维的混合物。BHET，对苯二甲酸双(2-羟乙基)酯；MDA，4,4'-亚甲基二苯胺。
电子电器废弃物中聚合物的选择性回收
废弃电子电器设备含有多种聚合物，其中PC、ABS和PS是最常见的类型。图中展示了利用溶解-沉淀法回收计算机外壳中ABS和PC的工艺流程：使用二氯甲烷作为溶剂、甲醇作为反溶剂，在50°C至100°C的温和条件下，可以从含33%聚合物组分的废弃物中获得超过90%的回收率。对于手机废弃物中的PA和PC共混物，同样可采用溶解法实现分离。针对废旧印刷电路板的回收，微波辅助有机溶胀技术可在180-200°C的高温下加速溴化环氧树脂的溶解，实现贵金属与树脂基材的高效分离。与机械回收相比，这些溶剂法技术避免了粉尘和飞灰的产生，但二氯甲烷、DMF和N-甲基吡咯烷酮等溶剂的使用仍面临环境和健康风险，推动绿色溶剂的替代成为后续研发的重要方向。
图4 | 废弃电子电器设备的选择性回收策略。 a，通过溶解和选择性沉淀从含有33%聚合物组分的电脑外壳废物中回收丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和双酚A型聚碳酸酯。b，从手机废物混合物中通过溶解和选择性沉淀回收聚酰胺和聚碳酸酯。c，通过微波辅助有机溶胀在高温下实现废印刷电路板的脱层，使溴化环氧树脂溶胀，实现贵金属与环氧树脂的分离。DCM，二氯甲烷；NMP，N-甲基吡咯烷酮。
工程材料中塑料的选择性回收策略
工程材料常用于长寿命产品，其回收难度更大。图中展示了溶剂法回收碳纤维增强聚合物的工艺：利用CreaSolv配方溶解PA 6、PU或环氧树脂基体，可在160°C至260°C的不同温度下实现聚合物基体的完全溶解，回收的碳纤维保留了原始纤维72%至86%的拉伸强度。针对聚氯乙烯多层泡罩包装废弃物，使用离子液体三己基（十四烷基）膦己酸盐进行脱氯处理，可在160-250°C（远低于传统400°C）的温和条件下实现PVC的脱氯，同时高效分离PA、铝和脱氯后的碳质产物。对于汽车工业中含炭黑的PET与PC共混物，研究者使用TBD与甲磺酸等摩尔混合形成的质子型离子液体作为催化剂，在130°C下优先解聚PC回收双酚A，随后在180°C下解聚PET，实现了复杂混合物的分步高值化利用。
图5 | 耐用应用中塑料的选择性回收策略。 a，从与聚酰胺6的混合物中通过溶解和沉淀回收碳纤维增强聚合物。b，使用离子液体三己基(十四烷基)膦己酸酯对多层泡罩包装废物中的聚氯乙烯进行脱氯，实现了聚酰胺、铝和脱氯聚氯乙烯的有效分离。c，从与聚对苯二甲酸乙二醇酯（含炭黑，用于汽车工业）的混合物中选择性解聚双酚A型聚碳酸酯：使用由1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸-5-烯与甲磺酸1:1混合物形成的质子型离子液体作为催化剂，在三羟甲基丙烷烯丙基醚二醇存在下，获得增值碳酸酯、双酚A和未反应材料。
图6 | 塑料在不同应用中的使用寿命。 根据塑料的使用寿命对主要应用领域进行分类。
展望：面向循环经济的未来路径
解决全球塑料废弃物危机需要向循环塑料经济转型，而选择性回收技术的开发是从复杂混合废弃物中回收高纯聚合物的关键。综述指出，未来研究必须立足于真实塑料废弃物的复杂组成，包括添加剂、填料、多层结构和共混物等。值得注意的是，在许多选择性回收路线中，下游分离与纯化环节的能耗、成本和工业可行性挑战往往高于解聚或溶解步骤本身。因此，回收技术的开发应以全流程评价为指导，涵盖物料和能量平衡、溶剂和试剂消耗、分离纯化步骤以及环境影响评估。数字工具的整合为循环塑料经济转型提供了新维度——人工智能和机器学习的应用有望从先进分选技术、实时工艺优化到预测建模和市场预测等多个层面革新塑料回收方式。与此同时，“安全可持续设计”原则的贯彻至关重要：聚合物和产品从设计之初就应面向循环性，兼顾从资源提取到废弃物转化为新产品的完整价值链。然而，循环经济的设计必须因地制宜，根据不同应用场景中塑料的使用寿命差异制定差异化的回收策略。只有结合技术创新、政策协调和环境评估，才能实现真正高效、可持续的塑料循环经济。（来源：Nature Reviews Materials ）
本篇文章来源于微信公众号:废塑料新观察
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