全球首創(chuàng)室溫催化轉(zhuǎn)化技術(shù)，攻克含氯塑料回收的世界性難題，華東師大張偉團(tuán)隊(duì)最新成果登上Science。
聚氯乙烯（PVC）和聚烯烴（PE、PP）等難以降解的混合塑料廢棄物，如何變廢為寶、綠色循環(huán)？如今，在常溫常壓條件下，這些垃圾竟能一步高效轉(zhuǎn)化為高附加值的燃油，且轉(zhuǎn)化效率超過(guò)95%。
國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》（Science）日前發(fā)表中國(guó)科學(xué)家牽頭的這項(xiàng)突破性研究成果。來(lái)自華東師范大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院全重實(shí)驗(yàn)室的張偉研究員團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)約翰內(nèi)斯·勒徹爾（Johannes A. Lercher）院士、美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室末順·李（Mal-Soon Lee）教授等國(guó)際專(zhuān)家，成功開(kāi)發(fā)出全球首創(chuàng)的這一室溫催化轉(zhuǎn)化技術(shù)。
審稿人認(rèn)為，這項(xiàng)創(chuàng)新不僅攻克了含氯塑料回收的世界性難題，也為全球塑料污染治理提供了全新的解決方案。華東師大為該研究第一完成單位，張偉為第一作者兼通訊作者。
針對(duì)塑料污染，回收瓶頸凸顯
隨著全球需求持續(xù)增長(zhǎng)，塑料產(chǎn)量快速攀升，累計(jì)產(chǎn)量已突破100億噸，其中約80%最終成為垃圾，造成資源浪費(fèi)并引發(fā)嚴(yán)重環(huán)境問(wèn)題。
我國(guó)作為全球最大的塑料生產(chǎn)與消費(fèi)國(guó)，廢塑料治理形勢(shì)嚴(yán)峻。目前國(guó)內(nèi)廢塑料存量突破10億噸，年新增量逾6000萬(wàn)噸。從組分構(gòu)成看，聚烯烴（PE、PP）占比50%，聚氯乙烯（PVC）占比10%。這兩大類(lèi)塑料占比達(dá)六成，具有巨大的回收利用潛力。
然而，當(dāng)前處理方式仍以填埋和焚燒為主，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)明顯：填埋占用土地，并可能導(dǎo)致微塑料污染土壤和水體；而焚燒能耗高、附加值低，且碳排放大。尤其是PVC，因其高氯特性，焚燒過(guò)程中易生成二噁英等有毒物質(zhì)。鑒于這一嚴(yán)峻形勢(shì)，歐洲化學(xué)品管理局和美國(guó)環(huán)保署在2023年聯(lián)合發(fā)布警示，將PVC列為需要重點(diǎn)監(jiān)管的高風(fēng)險(xiǎn)材料。
這一背景下，塑料“升級(jí)回收”技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)通過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)化突破了傳統(tǒng)回收的局限，能夠?qū)U塑料轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品，為循環(huán)經(jīng)濟(jì)提供最具潛力的解決方案。
塑料回收：垃圾變油。
單步低溫轉(zhuǎn)化，能耗降低七成
目前，含PVC的混合廢塑料化學(xué)回收，仍面臨重大技術(shù)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的“脫氯—裂解”兩步法，通常先用脫氯劑去除氯元素，再通過(guò)高溫裂解生成燃料或化學(xué)品。但該工藝存在能耗高、成本大、脫氯不徹底導(dǎo)致催化劑中毒，以及油品收率低、殘余氯超標(biāo)等問(wèn)題，這些瓶頸嚴(yán)重限制了PVC廢塑料在“雙碳”目標(biāo)下的高效資源化利用。
針對(duì)這一難題，張偉團(tuán)隊(duì)從石油煉制工藝中獲得關(guān)鍵啟示，創(chuàng)新性地提出了塑料低溫催化轉(zhuǎn)化的新策略。傳統(tǒng)石油加工包含兩個(gè)核心步驟：高溫催化裂化將重質(zhì)油轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)組分；低溫烷基化反應(yīng)提升油品質(zhì)量。研究團(tuán)隊(duì)巧妙地將這兩個(gè)工藝原理融合，首次提出“塑料催化裂解—烷基化耦合反應(yīng)”的全新概念，并開(kāi)發(fā)出一步法轉(zhuǎn)化技術(shù)。
這項(xiàng)突破性技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三大創(chuàng)新：一是反應(yīng)條件革新，在常溫下即可完成轉(zhuǎn)化，能耗降低70%以上；二是工藝集成創(chuàng)新，將脫氯、裂解和烷基化三步反應(yīng)整合為單一過(guò)程；三是資源協(xié)同利用，創(chuàng)造性地利用石化副產(chǎn)物作為反應(yīng)介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)“以廢治廢”，實(shí)現(xiàn)廢塑料資源的高效增值利用。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該技術(shù)可將混合廢塑料一步轉(zhuǎn)化為高標(biāo)號(hào)汽油，碳原子利用率超過(guò)95%。這種“分子煉油”技術(shù)不僅大幅提升了塑料回收的經(jīng)濟(jì)性，也建立了完整的資源循環(huán)利用鏈條，為全球塑料污染治理提供了切實(shí)可行的解決方案。
PVC塑料垃圾在室溫下的轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量油品。
催化劑無(wú)毒害，中美企業(yè)驗(yàn)證
在技術(shù)設(shè)計(jì)上，團(tuán)隊(duì)高度關(guān)注工業(yè)化可行性，選擇了一種名為離子液體的催化劑。該催化劑不僅價(jià)格低廉、活性高、腐蝕性低，而且操作安全可靠，已在美國(guó)雪佛龍與中石油的工業(yè)烷基化裝置中得到驗(yàn)證。
該技術(shù)利用離子液體可將混合廢塑料幾乎完全轉(zhuǎn)化為無(wú)氯的高品質(zhì)燃料。與傳統(tǒng)高溫裂解相比，新技術(shù)常溫即可運(yùn)行，安全環(huán)保，無(wú)有毒副產(chǎn)物，能有效阻斷氯污染，轉(zhuǎn)化為可回收的氯化氫，溶于水即可生成無(wú)毒鹽酸（人體胃酸的主要成分），從而兼顧資源利用與環(huán)境安全。
新型催化新路徑將廢棄塑料低溫轉(zhuǎn)化成燃料。
產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面，該技術(shù)與現(xiàn)有煉化工藝高度兼容，能耗低、設(shè)備簡(jiǎn)便、轉(zhuǎn)化效率高，特別適合依托現(xiàn)有煉化設(shè)施推廣。美國(guó)能源部稱(chēng)其為“升級(jí)回收”的典范，能夠“一站式”處理混合塑料，使每噸廢塑料的價(jià)值從填埋或焚燒的負(fù)收益升為正收益，真正實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”。
作為合作者，美國(guó)工程院與歐洲科學(xué)院雙院士Johannes Lercher認(rèn)為，“這項(xiàng)技術(shù)就像為塑料垃圾找到了‘化學(xué)剪刀’，能在室溫下快速將高分子鏈切割成汽油分子大小，為全球循環(huán)經(jīng)濟(jì)提供重要支撐?！?/span>
含氯聚烯烴廢塑料可在室溫下轉(zhuǎn)化為高值油品與HCl，兼容石化煉廠(chǎng)工藝。
十年歸巢筑夢(mèng)，中試放大為商用
作為這一高影響論文的“一作”，張偉十年前從華東師大綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成碩士學(xué)位攻讀，師從何鳴元院士和吳海虹教授，正是這段寶貴經(jīng)歷為他奠定了扎實(shí)的催化研究基礎(chǔ)，也讓他深刻理解綠色碳科學(xué)的核心理念。在何鳴元院士推薦下，張偉前往荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)深造并順利獲得博士學(xué)位，隨后又在德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)和美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室完成博士后研究。
張偉研究員2015年碩士畢業(yè)于華東師大。
張偉選擇回歸母校任教，并在何院士和學(xué)院鼎力支持下，迅速組建了研究團(tuán)隊(duì)，開(kāi)啟新的科研征程。這項(xiàng)研究也成為他帶給母校和師長(zhǎng)的第一份“禮物”，“正是得益于華東師大優(yōu)越的科研環(huán)境，我們能夠整合校內(nèi)外資源，與國(guó)際頂尖機(jī)構(gòu)合作。這不僅保障了基礎(chǔ)研究的原創(chuàng)性突破，也推動(dòng)了成果產(chǎn)業(yè)化，使我們?cè)谀茉磁c環(huán)境領(lǐng)域持續(xù)取得創(chuàng)新成果?！?/span>
未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將充分發(fā)揮華東師范大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院、石油化工分子轉(zhuǎn)化與反應(yīng)工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及上海市綠色化學(xué)與化工過(guò)程綠色化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等一流科研平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)與石化企業(yè)合作進(jìn)行中試放大，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。
同時(shí)，他們計(jì)劃利用人工智能開(kāi)發(fā)更高效催化體系，深入揭示塑料轉(zhuǎn)化的原子級(jí)機(jī)理，并借助華東師大及國(guó)際合作平臺(tái)推動(dòng)技術(shù)全球推廣，為“雙碳”戰(zhàn)略提供科學(xué)支撐，為能源與環(huán)境的全球挑戰(zhàn)貢獻(xiàn)中國(guó)方案。
閱讀原文
記者丨解放日?qǐng)?bào) 徐瑞哲
來(lái)源丨上觀(guān)新聞
編輯丨王越月
編審丨戴琪
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