廢塑料資源化高值利用的產(chǎn)業(yè)發(fā)展

王 奔 黃菊文 朱昊辰 賀文智 李光明

同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

0 前言

塑料的生產(chǎn)和塑料制品的應(yīng)用可追溯到20世紀(jì)初期，但直到20世紀(jì)50年代，塑料工業(yè)才得以迅速發(fā)展。塑料產(chǎn)品被應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域，逐漸融入人們的生活[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前人類生產(chǎn)的塑料制品已經(jīng)超過90億t[2]。近些年來，隨著我國的電商、快遞、外賣等行業(yè)的興起，塑料包裝制品的消耗量呈現(xiàn)出爆發(fā)式的增長(zhǎng)。如果廢塑料得不到妥善處理，隨意地丟棄在環(huán)境中，將會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞。

1 廢塑料資源環(huán)境問題

1.1 廢塑料引發(fā)的環(huán)境問題

由于廢塑料具有輕質(zhì)性、不易降解性，可長(zhǎng)期留存性，隨意丟棄在環(huán)境中，易造成“白色污染”問題。直接將其掩埋，則會(huì)造成土壤和水環(huán)境的污染。環(huán)境中的廢塑料經(jīng)風(fēng)吹日曬等遷移轉(zhuǎn)化過程，易形成“微塑料”，通過食物鏈、食物網(wǎng)進(jìn)入人體，威脅人類的身體健康[3-5]和破壞生態(tài)環(huán)境。

廢塑料的處理處置的大致途徑包括：焚燒、填埋、資源化回收利用和直接丟棄到環(huán)境中，其中焚燒和填埋是目前處理廢塑料最主要的方法。但是塑料制品大多是合成高分子化合物，焚燒處理會(huì)產(chǎn)生很多污染性氣體，造成大氣污染。填埋處理則會(huì)長(zhǎng)期地留存在填埋場(chǎng)中，產(chǎn)生有毒的滲濾液，污染土壤和地下水。資源化回收利用法是目前普遍認(rèn)同的處理方法，但是由Geyer等[6]2017年做出的一項(xiàng)調(diào)查報(bào)告中顯示，人類過去70多年里產(chǎn)生的大量廢塑料，只有25%得到合理的利用。如此低的回收利用率，造成了極大的資源浪費(fèi)問題。

1.2 廢塑料資源化回收利用方法

廢塑料的資源化回收利用有物理法、化學(xué)法以及轉(zhuǎn)化為能量等方法。對(duì)于回收利用價(jià)值高的廢塑料，可通過物理、化學(xué)等方法，將其轉(zhuǎn)化為再生資源，或用作其它產(chǎn)品的原料；對(duì)于回收利用價(jià)值低的廢塑料，將其轉(zhuǎn)化為能量，從而實(shí)現(xiàn)其資源化利用[7]。

廢塑料種類有很多，例如，城市生活垃圾中的廢塑料大多為一次性包裝材料，主要可分為聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）等[8]。直接混合回收利用，難以再生制造具有價(jià)值的產(chǎn)品。而廢塑料經(jīng)回收分類，根據(jù)分類后塑料的材質(zhì)，可再生應(yīng)用到具有更高價(jià)值的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。

目前，城市廢塑料的回收途徑主要有三類：生產(chǎn)者自行回收、第三方回收企業(yè)回收、社區(qū)回收[9]。對(duì)于生產(chǎn)者自行回收而言，其回收的對(duì)象是塑料生產(chǎn)企業(yè)自己加工生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的廢棄物、邊角料等。生產(chǎn)者可以直接將這些廢塑料作為原料，進(jìn)行二次利用，不僅可降低生產(chǎn)的原料成本，還可以減少運(yùn)輸成本、排放成本，并節(jié)約大量資源。對(duì)于第三方回收企業(yè)，它們的回收對(duì)象包括塑料生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)生的不想自己處理的廢塑料，也包括一些報(bào)廢品回收拆解企業(yè)產(chǎn)生的塑料廢棄物等。社區(qū)回收，主要的回收對(duì)象是人們生活中產(chǎn)生的廢塑料，如快遞外賣的包裝袋、飲料瓶等。這一回收途徑需要人們進(jìn)行生活垃圾分類，也要依靠垃圾回收中轉(zhuǎn)站工作人員進(jìn)行進(jìn)一步篩選工作。

1.3 廢塑料資源化產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

廢塑料是蘊(yùn)含大量能量和有機(jī)高分子的材料，在資源逐漸枯竭的未來，可作為再生資源被利用。直接將其掩埋或丟棄是一種資源浪費(fèi)，不符合可持續(xù)發(fā)展理念。因此，尋找廢塑料的高值化利用途徑，對(duì)社會(huì)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)保護(hù)具有重大意義[10,11]。

自上世紀(jì)50年代開始，我國政府就十分重視廢塑料資源化這一問題，一直致力于建立完善的資源回收體系。但是，由于回收體系不健全，廢塑料成分復(fù)雜，再生利用產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，缺乏關(guān)鍵的再生利用處理技術(shù)，缺乏高值資源化利用產(chǎn)業(yè)，缺乏產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，政府扶持力度不夠大，技術(shù)創(chuàng)新投入不足等原因，我國廢塑料的再生利用一直處于較低水平。

因?yàn)樗芰蟻碜杂谑突?，而我國又是石油資源十分匱乏的國家之一，所以每年除了進(jìn)口大量的石油外，還要從國外進(jìn)口大量的塑料資源，以滿足國內(nèi)市場(chǎng)需求。如表1塑料進(jìn)出口數(shù)據(jù)所示，在2018年之前，我國每年進(jìn)口大量塑料原料以及廢塑料。雖然2018年后，我國政府逐漸意識(shí)到“洋垃圾”對(duì)環(huán)境帶來的危害，并頒布“禁廢令”嚴(yán)格管控廢棄物的進(jìn)口，廢塑料進(jìn)口量驟降，但是，從塑料進(jìn)口總量來看，減少的廢塑料進(jìn)口量被填補(bǔ)到塑料原料的進(jìn)口量上。從出口量分析，近三年，廢塑料的出口量在逐漸增加。這主要是因?yàn)椤敖麖U令”實(shí)施以來，廢塑料的回收利用在國內(nèi)得到足夠重視，廢塑料回收產(chǎn)業(yè)以及再生利用產(chǎn)業(yè)開始加速發(fā)展，市場(chǎng)投資空前活躍。廢塑料回收品質(zhì)的提高，也得到國外資源再生利用企業(yè)的認(rèn)可，因而出口量逐年增長(zhǎng)。

麥肯錫咨詢公司曾在一篇研究報(bào)告里指出，到2030年全世界的塑料回收率將達(dá)到50%，這將帶來巨大的商業(yè)價(jià)值。此外，未來10年，石化和塑料產(chǎn)業(yè)的利潤(rùn)增長(zhǎng)，三分之二將來自廢塑料的回收利用，可達(dá)到600億美元[12]。

2 廢塑料資源化高值利用

2.1 廢塑料資源化產(chǎn)物應(yīng)用于基建行業(yè)

近年來，廢塑料和其他材料混合制造建材廣受關(guān)注，主要是因?yàn)閼?yīng)用廢棄的塑料可以大幅度降低建材生產(chǎn)的成本。傳統(tǒng)的廢塑料回收利用是將其與木料混合，生產(chǎn)板材。而如今隨著技術(shù)進(jìn)步，廢塑料的應(yīng)用已經(jīng)拓展到與各種無機(jī)材料、有機(jī)材料混合，用于生產(chǎn)具有更高價(jià)值的建筑材料、工程材料，不僅降低了建材的生產(chǎn)成本，而且可以加強(qiáng)建材的性能，提高資源回收利用率。

目前，對(duì)這種建材的研究有很多，例如：丁小東等[13]利用廢棄聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）、水泥、增黏劑等為主要原料，通過正交實(shí)驗(yàn)，得到最佳的材料配比方案，生產(chǎn)了復(fù)合混凝土保溫砌塊，具有自重輕、保溫性能好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。劉西振等[14]以EPS為基本原料，在過氧化二苯甲酰和N,N-二甲基苯胺的引發(fā)條件下，與丙烯酸酯類混合，制成無溶劑的快速固化涂料。通過對(duì)這種涂料進(jìn)行性能分析，得到這種涂料有很好的吸附性能，漆膜的附著力和硬度、耐溶劑性較好。許振廣等[15]將EPS應(yīng)用在建筑樓板中，利用EPS填充鋼筋混凝土現(xiàn)澆板，不僅節(jié)省大量的混凝土用量，減輕結(jié)構(gòu)自重，并大大提高了樓板的保溫隔音性能。通過經(jīng)濟(jì)效益分析，EPS填充板具有較大發(fā)展前景，并且其產(chǎn)量也在迅速增加。在道路交通領(lǐng)域，廢塑料也有廣泛應(yīng)用。廢塑料以其優(yōu)秀的抗震、降噪的性能，在橋梁、鐵路工程中逐漸突出了高值化利用價(jià)值[16]。青島楓葉環(huán)保公司研發(fā)出復(fù)合塑料彈性枕木，可降低高速列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪音，減少軌道枕木的制造成本，并且具有更高的強(qiáng)度。匈牙利科學(xué)家利用廢塑料合成一種新型合成材料，可以與瀝青按比例混合，用于道路鋪設(shè)。實(shí)驗(yàn)表明，與瀝青混合后，鋪設(shè)的道路硬度更強(qiáng)，更耐碾壓。

表1 2013-2019年中國塑料原料進(jìn)口量與廢塑料進(jìn)出口量

廢塑料在建材領(lǐng)域的應(yīng)用，也有許多已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化的案例。南京弘創(chuàng)聚合物裝備技術(shù)有限公司聯(lián)合行業(yè)內(nèi)其他相關(guān)企業(yè)，共同開發(fā)了每小時(shí)產(chǎn)能1．5 t的EPS再生造粒機(jī)組?？梢詫U棄泡沫塑料無害化回收、再生改性為優(yōu)質(zhì)材料，最后將其加工成塑料仿木線材和各種相框、畫框、鏡框、家具等產(chǎn)品，90%被銷往國外。目前，他們的這一整套回收再生利用體系已獲得20多項(xiàng)實(shí)用新型專利，150多項(xiàng)外觀專利。美國塑料再生公司利用回收密度較高的HDPE和玻璃纖維廢料，通過擠壓制造軌道枕木，僅兩臺(tái)擠壓機(jī)每年就可生產(chǎn)2．5萬條軌道枕木，大概可以消耗700 t廢塑料。美新塑木型材制品有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品99%都是用飲料瓶等廢塑料通過多層共擠技術(shù)一次成型制成，通過加熱技術(shù)將其制成仿真木紋材料，用于家具、地板等裝潢建材，九成產(chǎn)品出口國外。2016年該公司產(chǎn)能達(dá)1．8萬t、銷售額達(dá)2億元，并還在以驚人的速度增長(zhǎng)。

2.2 廢塑料資源化產(chǎn)物應(yīng)用于能源燃料行業(yè)

廢塑料被現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)學(xué)家稱為“人類第二礦藏”。塑料大多是從天然的石油中提煉出來的高分子聚合物，因此可將其熱解氣化，制備具有更高價(jià)值的燃油、燃?xì)獾饶茉碵17]。傳統(tǒng)的廢塑料轉(zhuǎn)化為能源的舉措僅僅是進(jìn)行垃圾焚燒，利用燃燒熱進(jìn)行發(fā)電。但這種方式不環(huán)保，且能源轉(zhuǎn)化率低，帶來的經(jīng)濟(jì)效益不高。將其轉(zhuǎn)化為燃油是其高值化的一個(gè)有效途徑。

目前，將廢塑料轉(zhuǎn)化為高值能源的研究也有很多，例如：Filip等[18]將廢棄聚苯乙烯置于400℃下進(jìn)行高溫裂解，并加入火山巖灰作為催化劑，提高轉(zhuǎn)化為苯乙烯單體的效率，最后的液態(tài)油生產(chǎn)率能達(dá)到90．11%，用氣相質(zhì)譜儀可測(cè)得，液態(tài)油中苯乙烯含量達(dá)55．62%。Lei等[19]以活性炭作為催化劑，將廢塑料在高溫下進(jìn)行熔化，轉(zhuǎn)化為航空燃料。他們同時(shí)還測(cè)試了幾種不同的催化劑在不同溫度下的轉(zhuǎn)化結(jié)果，最好結(jié)果是產(chǎn)生85%的航空燃油和15%的柴油混合物，且燃料質(zhì)量很好。英國斯旺西大學(xué)的研究人員[20]通過在廢塑料中加入吸收光的材料，在堿性溶液中，暴露于陽光下，從而產(chǎn)生了氫燃料。通過研究，這一方法可以降解各種廢塑料，對(duì)廢塑料分類要求不高。產(chǎn)生的氫燃料可以為氫燃料汽車提供能源，具有重大的研究?jī)r(jià)值。

目前，將廢塑料轉(zhuǎn)化為高值燃料的研究還處于初級(jí)階段，一些轉(zhuǎn)化技術(shù)還處于研究理論階段，實(shí)際的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有許多技術(shù)難點(diǎn)需要去突破。但也有一些成功應(yīng)用的實(shí)例：蘭州德華事業(yè)公司開發(fā)的“廢舊塑料油化成套技術(shù)及設(shè)備”，出油率高達(dá)70%～90%，油品較高。產(chǎn)生的廢棄物還可以作為工業(yè)炭黑進(jìn)行二次利用，國內(nèi)多家單位也使用了該技術(shù)。我國應(yīng)用廢塑料熱分解油化技術(shù)的企業(yè)還有很多，如表2所示[21]。

2.3 廢塑料資源化產(chǎn)物應(yīng)用于織物、服裝產(chǎn)業(yè)

廢塑料應(yīng)用于織物、服裝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一直受到多方面因素的制約，比如對(duì)回收的廢塑料品質(zhì)要求較高，一般只針對(duì)聚酯類瓶（PET瓶），同時(shí)也受到人們觀念上的排斥等。對(duì)廢塑料轉(zhuǎn)化成織物、滌綸的相關(guān)研究不是很多，但是將廢塑料轉(zhuǎn)化為安全的紡織材料、服裝產(chǎn)品，利用品牌效應(yīng)、市場(chǎng)宣傳，能夠產(chǎn)生更高價(jià)值。

表2 我國主要廢舊塑料熱分解油化企業(yè)

將廢塑料應(yīng)用于織物、服裝產(chǎn)業(yè)的實(shí)例也有很多：2010年的南非世界杯，運(yùn)動(dòng)品牌耐克公司利用收集的1 300萬個(gè)廢塑料瓶，為其贊助的巴西、荷蘭、葡萄牙等9個(gè)國家的球隊(duì)制作了球衣，每件球衣大概由8個(gè)廢棄的PET瓶制成。2016年，德國運(yùn)動(dòng)品牌阿迪達(dá)斯公司用廢棄的PET瓶為原料，為皇馬和拜仁兩家足球俱樂部制作了再生秋衣。2019年，阿迪達(dá)斯公司的春夏季服裝系列產(chǎn)品，有41%的原料來自于再生的廢棄PET瓶。運(yùn)動(dòng)品牌采用廢塑料制作運(yùn)動(dòng)服已經(jīng)成為一種潮流，也成為各大品牌商環(huán)保宣傳的主題。美國的Polartec公司用100%可回收的REPREVE紗線來制作運(yùn)動(dòng)服，產(chǎn)品名為WindPro。每生產(chǎn)一件機(jī)車夾克就需要40個(gè)廢棄PET瓶，可以減少20%能源消耗，并且產(chǎn)品的質(zhì)量具有四倍的抗風(fēng)性，良好的防水性、透氣性。我國的“再造衣銀行”品牌，一直秉持著綠色環(huán)保理念，利用各種廢塑料制作時(shí)尚、環(huán)保的服裝產(chǎn)品。我國的龍福環(huán)能科技股份有限公司建成了世界上唯一一條PET瓶回收、加工、紡織一條龍的循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈，再生滌綸產(chǎn)品被廣泛地應(yīng)用到裝飾布料等行業(yè)。2019年新中國成立70周年國慶閱兵儀式上，2．4萬m2紅地毯是用回收的廢舊礦泉水瓶為原料生產(chǎn)而成，具有阻燃、抗污、抗紫外線的功能，共消耗掉40多萬個(gè)廢舊礦泉水瓶，約10 t。

2.4 廢塑料資源化產(chǎn)物應(yīng)用于煉鋼行業(yè)

煉鋼產(chǎn)業(yè)是我國最重要的產(chǎn)業(yè)之一。但是，近年來受鋼鐵產(chǎn)能過剩，生產(chǎn)成本增加等因素影響，鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展遇到瓶頸，急需通過技術(shù)革新來突破這一束縛。將廢塑料作為煉鋼的原料添加劑，給煉鋼產(chǎn)業(yè)帶來一條新的發(fā)展思路。廢塑料中含有大量的碳，可以作為一種碳源投入到電弧煉鋼爐中，代替焦炭的作用。研究表明，該方法可顯著地減少焦炭的使用，減少CO2的排放，同時(shí)降低電耗和焦比。例如：楊祝英等[22]將廢塑料與冶金焦共混，作為煉鋼電爐中的還原劑，使FeO的轉(zhuǎn)化率顯著提高。當(dāng)廢塑料的添加量從0增加到40%，反應(yīng)速度提高了一倍，并且廢氣中的CO2排放量減少了75%。包向軍等[23]將廢塑料與含油鐵鱗混合，通過加熱、烘干、熔融、加壓制造出煉鋼造渣劑，可加快煉鋼爐中的造渣速度，減少石灰用量，降低生產(chǎn)成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。日本是最早將廢塑料應(yīng)用于煉鋼產(chǎn)業(yè)的國家之一，他們學(xué)習(xí)德國的經(jīng)驗(yàn)，引進(jìn)高爐噴吹技術(shù)，開發(fā)廢塑料與焦煤混合煉焦技術(shù)[24]，大大降低了焦炭使用量，提高了總的能量利用效率，并迅速推廣到君津、名古屋、八幡和室蘭4個(gè)鋼鐵廠使用。煉鋼產(chǎn)業(yè)可謂是廢塑料消耗的大戶，對(duì)于鋼鐵第一生產(chǎn)大國的我國來說，如果實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，廢塑料的資源化利用將帶來巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2.5 廢塑料資源化產(chǎn)物應(yīng)用于高科技產(chǎn)業(yè)

隨著對(duì)廢塑料的研究進(jìn)一步深入，人們開始尋找新的高值利用方法。

廢塑料成分中由于含有大量的碳，熱裂解過程中除了能產(chǎn)生一些高價(jià)值的燃油外，也有研究人員發(fā)現(xiàn)，裂解過程中，會(huì)產(chǎn)生一些碳納米管。目前對(duì)碳納米管的研究較為熱門，其獨(dú)特的一維中心空管狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、電學(xué)性能，在晶體管、量子導(dǎo)線、超級(jí)電容制造領(lǐng)域，有巨大的應(yīng)用價(jià)值。目前工業(yè)制備碳納米管的碳源主要是高純碳?xì)錃怏w和礦物燃料，成本較高，若將廢塑料作為碳源，可極大降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)廢塑料的高值化。例如，Veksha等[25]利用低密度聚乙烯（LDPE）、PP、PS、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）等廢塑料，通過催化裂解制備了碳納米管。實(shí)驗(yàn)顯示，在800℃條件下，裂解產(chǎn)物為多壁碳納米管，并且沒有積碳量的產(chǎn)生。姚丁丁等[26]，以雙金屬Ni-Fe為催化劑，將廢塑料熱解，生產(chǎn)富氫氣體和高品質(zhì)的碳納米管。通過研究整個(gè)熱解的反應(yīng)過程，分析影響碳品質(zhì)、產(chǎn)率的因素。新加坡環(huán)境與水科技創(chuàng)新中心（EWTCOI）以PP、PS等為碳源制造碳納米管，產(chǎn)出的碳納米管長(zhǎng)度在2～30μm之間，直徑約為20～150 nm。這項(xiàng)技術(shù)目前已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)體試驗(yàn)，一次可消耗300 kg廢塑料。

在3D打印領(lǐng)域，廢塑料作為打印材料的研究也得到一些人的關(guān)注。3D打印塑料線材對(duì)塑料的流動(dòng)性要求不高，為廢塑料提供了應(yīng)用空間。加拿大的初創(chuàng)公司，研制了一臺(tái)能夠?qū)U塑料轉(zhuǎn)化為3D打印線材的設(shè)備“ProtoCycler”。該設(shè)備利用智能化電腦控制，實(shí)時(shí)地反饋擠出線材的直徑。在2 h內(nèi)可制成1 kg的3D打印線材。雖然3D打印技術(shù)目前還不成熟，但是，在未來具有巨大的發(fā)展前景。利用廢塑料作為打印線材，有利于促進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步和3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

廢塑料用于制造超級(jí)電容的相關(guān)研究也有很多，zhang等[27]以廢棄聚苯乙烯為原料，通過弗里德-克工藝反應(yīng)制備了一種簡(jiǎn)便、高效的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多孔碳。用該材料制備的PC具有較大的比表面積和三維多孔結(jié)構(gòu)，作為超級(jí)電容器的電極材料具有良好的電容性和電化學(xué)穩(wěn)定性。Jiakang Min等[28]人,采用模板法對(duì)廢舊聚苯乙烯進(jìn)行直接熱解制得多孔碳片。將其用于制造電容器的電極材料，具有成本低、性能好、價(jià)值高等特點(diǎn)。

3 總結(jié)與展望

廢塑料被認(rèn)為是“人類第二礦藏”，其資源化回收利用的價(jià)值和意義不言而喻。尋找高值的資源化途徑，將廢塑料變廢為寶，對(duì)國家綠色發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。提前掌握關(guān)鍵技術(shù)，就等于抓住了未來資源的優(yōu)先開發(fā)權(quán)。

分析國內(nèi)外廢塑料的高值資源化產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，有利于進(jìn)一步了解廢塑料在各個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的利用價(jià)值，有利于為廢塑料高值化利用提供更多選擇，也有利于判斷未來廢塑料資源化利用的方向和趨勢(shì)。同時(shí)，刺激國內(nèi)廢塑料高值資源化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。尤其是在廢塑料轉(zhuǎn)化為燃油和高科技產(chǎn)業(yè)方面，要加大技術(shù)創(chuàng)新，加大相關(guān)研究的投入，以及加快產(chǎn)業(yè)化實(shí)際應(yīng)用。從另一方面分析，加快廢塑料高值資源化產(chǎn)業(yè)發(fā)展，也可以促進(jìn)國內(nèi)廢塑料回收產(chǎn)業(yè)以及生活垃圾回收分類產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。