实验设计:消费后塑料制品的聚合物中提取液体燃料和化学品

　　【摘 要】 随着科技和社会需求的发展，许多产品以化工合成的物质为原料。然而这种非自然资源的材料造成了日后的很多回收、降解的难度，和环境问题。如果能把这些消耗品加工转换成二次经济产品，无疑很大程度上可以解决环境和经济压力。将塑料和合成橡胶中的聚合物解聚为较小的分子，回归液体状态，通过化工流程转化成液体油作为汽车燃料。项目的主要科学研究目的分为三点，分别是塑料在亚临界和超临界条件下的解聚行为，确定从塑料和橡胶消耗品中去硫、氮成分的路径，以及从PVC中除氯；最后是优化对影响转化率的反应参数。然而由于对从塑料和橡胶聚合物中提取燃料油的亚临界和超临界流体的降解反应的一部分知识缺口，使得这种设想投入工业大批量生产受到了很大的限制。

　　【关键词】 聚合物 液体燃料 解聚技术

　　1背景资料

　　聚合物如塑料和橡胶是这个时代最通用的材料。然而，它们的存在和广泛的使用产生了大量的固体废物，导致普遍的环境问题。大多数环境问题源于废弃物具备良好物理，化学和机械性能因此导致的非生物降解的难度。

　　在汽车行业，高档塑料已成为不可或缺的成分，20世纪70年代以来，塑料在汽车使用增加了超过四倍，占超过现代汽车的重量的10%。因为塑料材料降低了车辆的重量因而节省燃料。塑料可以快速方便地安装，许多不同的汽车组件可以由不同的塑料材料集成。然而，塑料具备这些优势的原因在于它的耐高温和腐蚀性酸，可与此同时这种特性也意味着对塑料表面处理和回收的挑战。如何正确，高效环保处理这些消费后塑料制品，并提取其中具有价值的化学产品成为近年来的热点。

　　2研究动机

　　在塑料制品作为商品消耗后，成功回收这些人造聚合物再进行加工转换成有用的产品，是主要的经济和环境的动机。因为塑料和合成橡胶的聚合物是由矿物油得来的产物，在理论上是可能将这些固体聚合物回液体状态。已经有研究表明，将这些长链碳氢化合物分解成较小的分子，并作为燃烧液体进行燃料从技术上被认为具有可行性。将作为消费品消耗后的聚合物转换为优质燃料是该项目的重点。一个成功的解聚技术，同时具备高产量，高质量，浪费最小化，最终会形成一个具有经济价值的可持续的工业过程。

　　2.1所提出的方案研究目标

　　研究的目标是将消费后的人造聚合物，特别是废塑料和橡胶，使用亚临界或超临界流体技术转化为可用的形式的液体燃料。具体的目标是：

　　（1）探讨废塑料在不同的子轮胎解聚行为和超临界流体具有不同的临界点，包括（但不限于）：丙酮（508.1开尔文，4.7兆帕），甲醇（512.6开尔文，8.1兆帕），水（647.1开尔文，22.1兆帕）；

　　（2）确定从轮胎橡胶除去硫、氮成分的反应路径，从聚氯乙烯（PVC）中去除氯，例如，在亚临界和超临界流体条件下完成；

　　（3）优化对燃料的排放和发动机的性能有直接的影响的反应参数，如汽油的辛烷值，十六烷值和烷烃，烯烃，环烷烃和芳烃含量（PONA）。

　　2.2简要概述研究计划内的个别项目

　　根据组织结构的聚合物，可以认定和分类其中的项目，以此面对不同聚合物废物流不同的挑战。

　　（1）废轮胎转换成高质量的油。本项目的主要难度在于在最温和的操作条件下溶解橡胶聚合物和从液体中除去硫。目前，已存在的技术如利用热解从废旧轮胎生产石油。然而，这种技术要求高温，且存在于轮胎中的有机硫化合物需在热解过程中保持液体状态。高有机硫回收油废轮胎热解是一个严重的环境问题。与热解工艺相反，无硫，高质量的液体油被预计将从超临界流体液化中形成，由于超临界流体具有优良的聚合物抗裂和杂原子的去除能力。此外，与热解过程相比，相对较低的工作温度也意味着更少的能源消耗相比。

　　本项目的总体目标是探究通过超临界流体技术从废弃轮胎中提炼高质量的液体油，通过回收废旧轮胎提炼出的燃烧液体油应当符合严格的监管标准。探究不同的处理条件进而优化对不同溶剂的选择，最终选择适当的催化剂使其形成高质量，低硫含量的燃料。在该系统中溶剂的选择起到重要的作用，影响在超临界条件下聚合物的分解。此外，从产物中隔离掉部分特定的化学产品也将被探讨，因为这部分具有经济价值的化学原料可用于轮胎和其他产品生产中。我们所提出方案中的新颖之处和创新点就在于保持高转化率的同时，极大程度降低了液体油中的硫含量，这样生成的油可直接作为液体燃料，不需要进一步的物理或化学处理。

　　（2）塑料中的添加聚合物转换成汽油燃料。塑料材料中附加的聚合物，包括聚烯烃材料（通常占城市固体废塑料的60-70%，它不易通过反向合成反应解聚为原来的单体）。常见的热裂解导致液体中含较低的辛烷值和较高的残渣。通过已知的超临界流体特性，将去耦聚合物中的碳碳键，进而从废弃塑料中的添加聚合物提取出汽油燃料。在溶剂存在的条件下，分解中间体的浓度预计将大幅稀释以防止再聚合交联，进而发生进一步结合反应。在液相产生的分子可能具有比较窄的粒径分布。

　　（3）对聚氯乙烯（PVC）转化成有价值的产品。对聚氯乙烯的回收不符合对大部分聚合物回收的流程，原因是对聚氯乙烯与其他包括与其他聚烯烃或聚酯相比，它具有大分子链的氯。氯的存在带来了严重的环境威胁，还会降低回收效率。亚、超临界状态可以用来切割由碳链裂解聚合物链的分离出的氯原子，破裂聚合物链进而生产石油。氯分子随后会溶解于液体中，此时基于密度差油分子会从流体中分离出来。本研究项目的目的是通过调整处理条件，包括温度，压力和处理时间，进而从在保持较高的转化率下从所得到的液体产品除氯。

　　2.3研究方案的新颖之处

　　高温热解已被用来作为一种从废弃聚合物中提取碳质材料和液体燃料的再生技术，同时也成为了专利和商业体系。然而，由于技术问题和经济因素，废聚合物的热解在大多数情况下并不是最高效的投资。例如，由于聚合物的高密度，分解中间体导致焦油的形成是无法避免的副反应，从而导致产量低和芳香烃含量较高的热解油。此外，热解油具有较高的硫、氮和重金属含量。因此，从下游装置中将硫和氮移除是非常重要的。从环境的角度，塑料和轮胎的热解也会产生严重的污染物排放量的聚合物，包括多裂解的环芳烃，多氯联苯和二恶英。事实上，因为热解过程对高温的需求（高于700摄氏度），它是一个耗能过程。相反，在溶剂存在下，超临界工艺可有效防止二次交联反应中间体之间的分解。因此，产生的液体具有较低的分子量（少芳香烃）和比较窄的粒度分布。基于这种情况，一个更高的液化率可以达到通过超临界工艺而非热解。此外，超临界流体具备把杂原子从有机形式中转换到无机形式的独特性。因此，液化和聚合物的脱氮脱硫可以同时实现，对下游装置的需求少一些。最后，由于较低的操作温度和亚临界、超临界过程封闭处理系统，所提出的方法是高效节能的同时减少污染。目前由于缺乏基本的知识转换过程和机械的见解，还没有应用于商业的亚临界和超临界流体处理技术可以将消费后聚合物转化为液体燃料。对于从塑料和橡胶聚合物中提取燃料油的亚临界和超临界流体的降解反应也存在一部分知识缺口。从废物中提取具有价值的产品资源为目的的试验工厂是这种新兴技术研究基础的需求。 　　参考文献：

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