棉田廢棄聚乙烯農(nóng)膜回收再利用發(fā)展現(xiàn)狀

楊凱，師勇強，王文魁，馬小艷，，郭志剛，馬帥，張煒，楊敬賀，王巖，張杰*，馬雄風(fēng)，*

（1.棉花生物學(xué)國家重點實驗室鄭州大學(xué)基地/ 鄭州大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450000；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/ 棉花生物學(xué)國家重點實驗室/ 棉花生物育種及產(chǎn)業(yè)技術(shù)國家工程研究中心，河南 安陽 455000；3.融通農(nóng)業(yè)發(fā)展（麥蓋提）有限責(zé)任公司，新疆 喀什 844600；4.中農(nóng)博西（河南）科技有限公司，河南 安陽 455000）

我國作為全球第一大棉花消費國[1]，近年來棉花的種植面積雖有下降，但仍在300 萬hm2以上。新疆、甘肅、陜西等西北地區(qū)和華北地區(qū)都將其視為重要的經(jīng)濟作物。由于這些地區(qū)春種時的溫度都比較低，使用地膜可為播種后的棉田保溫和保濕，促進棉種發(fā)芽生長。同時，我國北方耕地由于普遍缺水，很多農(nóng)作物（除小麥等）需要先覆蓋地膜再播種?？傮w而言，地膜的應(yīng)用對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。但是，地膜作為有機高分子材料很難自行分解。若秋收后收集堆積的廢舊地膜散在農(nóng)田地邊不經(jīng)處理，將造成“白色污染”，田里的殘膜也會降低土壤的質(zhì)量和棉田的收成，并影響之后的棉花種植，產(chǎn)生較大危害[1-2]。目前棉花種植中使用最廣泛的地膜是聚乙烯（polyethylene,PE）地膜，聚乙烯材料優(yōu)越的物理化學(xué)性能使其在食品包裝行業(yè)[3]、生物醫(yī)學(xué)[4]、工業(yè)煤礦生產(chǎn)[5]、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。根據(jù)密度的不同，聚乙烯可分為高密度聚乙烯和低密度聚乙烯，通常用于農(nóng)用地膜（簡稱為“農(nóng)膜”）的是低密度聚乙烯[6]。聚乙烯在自然界難以降解，燃燒或填埋都不能從根本上解決廢棄農(nóng)膜污染，甚至?xí)a(chǎn)生大量的大氣和土壤污染物。從經(jīng)濟和環(huán)保角度看，回收再利用是對廢棄聚乙烯農(nóng)膜最好的處理方式?；厥盏木垡蚁┺r(nóng)膜有多種再生用途，如廢聚乙烯分解產(chǎn)氣[7]、廢聚乙烯熱解產(chǎn)油[8]、廢聚乙烯改性瀝青[9]、廢聚乙烯制聚乙烯蠟[10]等。筆者團隊總結(jié)了廢棄聚乙烯在直接再生塑料制品、煉油、制蠟等方面的實際應(yīng)用，以及對廢棄農(nóng)膜的各種處理方法，分析了再利用棉田廢棄農(nóng)膜的環(huán)境價值和經(jīng)濟效益，并對廢棄聚乙烯農(nóng)膜的回收利用進行展望。

1 棉田中廢棄農(nóng)膜的回收處理方法

對于棉田里的廢棄農(nóng)膜處理最初大多采用掩埋和焚燒法[11]，將農(nóng)膜回收聚集成堆后挖坑填埋或者和干棉花葉一起作為燃料燃燒回收熱能。掩埋會導(dǎo)致地膜破碎后產(chǎn)生大量微塑料污染，直接對土壤造成不可逆轉(zhuǎn)的影響；焚燒雖然能夠回收一部分熱能，但是燃燒聚乙烯會產(chǎn)生有害有機物質(zhì)造成嚴重的大氣污染，破壞棉田的生態(tài)環(huán)境。直接掩埋和焚燒不僅無法減輕廢棄農(nóng)膜對于棉田的危害，還會增加碳排放，對環(huán)境造成再次污染，甚至直接威脅到人類自身的健康。從長遠角度考慮，只有再生處理可以同時實現(xiàn)廢棄物循環(huán)再利用得到經(jīng)濟效益和解決污染物產(chǎn)生環(huán)保效益，符合我國“碳中和”的政策需求。

再生處理可根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物的不同分為直接再生、改性再生和裂解再生[12]。廢棄農(nóng)用地膜的回收處理方法見表1。

表1 廢棄農(nóng)膜處理方法比較

1.1 直接處理再生法

直接再生法是先將從棉田回收的廢棄農(nóng)膜與混入其中的棉花根莖挑揀分離，洗去農(nóng)膜上的土粒、植物殘體等雜物，再進行破碎和干燥，之后進行再造粒和吹塑成型，冷卻后再制成塑料產(chǎn)品[13]。這種方法的優(yōu)點在于節(jié)約成本且技術(shù)簡單易操作；缺點是再生產(chǎn)的制品質(zhì)量無法與一次產(chǎn)品相提并論，不能充分發(fā)揮材料的自身優(yōu)勢[14]。因此，在利用廢棄農(nóng)膜直接加工產(chǎn)品的過程中，需要添加各種改性劑以增強產(chǎn)品的物理性能。

1.2 改性再生法

改性再生法是將自棉田回收的聚乙烯農(nóng)膜中雜物清除后清洗干燥，熱熔后作為改性劑使用。改性再生方法主要有2 類：一類是通過將廢棄聚乙烯膜回收處理后加入到瀝青中，起到增強瀝青的強度和穩(wěn)定度的作用[14]；另一類是將廢棄的聚乙烯膜熔融后在其中填充粉煤灰、石墨等材料進行填充改性，從而增加聚乙烯的性能，制成高品質(zhì)的再生材料[15]。改性再生法的技術(shù)要求高于直接再生法，但是對于廢棄聚乙烯農(nóng)膜的再利用會更徹底，更能充分利用其價值。

1.3 裂解再生法

根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物的不同，裂解再生可以分為產(chǎn)氣、產(chǎn)油與產(chǎn)蠟技術(shù)。將棉田回收的聚乙烯農(nóng)膜清洗干燥后熱分解或者催化裂解，根據(jù)不同的處理工藝制成燃料油[16]、聚乙烯蠟[9]等再生產(chǎn)品，創(chuàng)造廢棄聚乙烯農(nóng)膜更高的再利用價值。裂解再生法相比于直接再生法和改性再生法具有更高的處理難度和處理成本，卻是廢棄聚乙烯農(nóng)膜實現(xiàn)更高經(jīng)濟利用價值的有效途徑。

2 廢棄聚乙烯農(nóng)膜的回收應(yīng)用實例

由上述廢棄農(nóng)膜再利用技術(shù)對比可以看出，對棉田農(nóng)膜的再生利用可以創(chuàng)造較高的經(jīng)濟價值和低碳排放收益。雖然不同處理技術(shù)的產(chǎn)品有不同的應(yīng)用路徑，但都可以從源頭上緩解農(nóng)膜污染，加快農(nóng)膜資源循環(huán)利用的發(fā)展。以下分類敘述廢棄聚乙烯農(nóng)膜經(jīng)過再生處理得到不同產(chǎn)品的事例，從應(yīng)用角度分析其直接再生塑料制品、裂解煉油和裂解制蠟的利用途徑，說明廢棄聚乙烯農(nóng)膜高附加值化的回收利用價值。

2.1 廢棄聚乙烯膜直接再生產(chǎn)塑料制品

棉田回收廢舊農(nóng)膜直接再生塑料制品是其綜合利用的簡單方式。將回收后的農(nóng)膜粉碎、清洗、熱熔以及擠壓生產(chǎn)塑料顆粒作為深加工的原料，生產(chǎn)聚乙烯管材、塑料容器等；或者利用更簡單的方式，不清洗直接粉碎，與石塊、土渣等混合加工制成磚塊、井蓋等二次產(chǎn)品[17]。何秀院等[18]以廢棄的聚乙烯膜為原料經(jīng)過簡單的一次熔融制成新的農(nóng)膜和包裝膜，經(jīng)過檢測，再生的塑料膜具有良好的使用性能，節(jié)能且環(huán)保。張志梅等[19]將粉煤灰和石墨等與廢棄聚乙烯膜混合制成建筑用的瓦片，證明廢棄聚乙烯塑料的可再利用性。廢棄聚乙烯農(nóng)膜還可以制成土建材料，類似于磚塊[20]。鄭州大學(xué)王巖教授團隊也通過廢棄聚乙烯農(nóng)膜直接再生制備了可以用于工業(yè)建筑的材料（數(shù)據(jù)尚未發(fā)表）。由此可見，可以在廢棄聚乙烯農(nóng)膜熔融后摻入土渣、石塊等制成硬質(zhì)建筑材料，用于工程建設(shè)，既能節(jié)約成本，又能提高建筑物的支撐力度。此外，廢棄聚乙烯塑料直接破碎融化后，經(jīng)過擠壓塑形可被制成類似于木材的“再生木材”，不需要添加其他物質(zhì)就能用來制作長椅等戶外防水且可供休息的產(chǎn)品[21]。

2.2 廢棄聚乙烯膜改性的瀝青混合材料

目前瀝青混凝土是大部分公路的首選修葺材料，但是隨著交通運輸?shù)牟粩喟l(fā)展，即使對路面承重實行限制規(guī)定，超載車輛對于公路的損壞還是日益嚴重。在這種背景下，提高瀝青的強度和抗壓能力成為解決問題的關(guān)鍵。方長青等[14]嘗試將回收的廢棄聚乙烯膜作為普通瀝青的改性劑，研究證明使用聚乙烯改性以后的瀝青在抗壓性、耐凍性以及穩(wěn)定性等方面都有提高，可實現(xiàn)將廢棄聚乙烯塑料變廢為寶的經(jīng)濟效益。國外對廢棄聚乙烯用于瀝青改性處理的可行性也有研究。為了將廢棄的聚乙烯農(nóng)膜最大化利用，朝鮮將農(nóng)用廢棄聚乙烯膜作為瀝青路面的合成材料，并實際投用到公路建設(shè)中。Kwang等[22]在此基礎(chǔ)上，通過廢棄聚乙烯農(nóng)膜不同摻雜量的試驗，找到了最佳的聚乙烯加入量，發(fā)現(xiàn)摻雜廢棄聚乙烯膜的瀝青混合材料的抗車轍能力和穩(wěn)定性能都要優(yōu)于未摻雜廢棄聚乙烯膜的瀝青材料，這再次證明廢棄聚乙烯農(nóng)膜具有較高的循環(huán)使用價值。

2.3 廢棄聚乙烯膜裂解制燃料油

廢棄聚乙烯農(nóng)膜的裂解煉油工藝是在更高的工藝操作條件下對廢棄聚乙烯農(nóng)膜進行的回收應(yīng)用。其方法主要有高溫裂解和催化裂解2 種。高溫裂解需要加熱使得廢棄聚乙烯中的碳碳鍵和碳氫鍵斷裂產(chǎn)生自由基，之后自由基組合產(chǎn)生小分子烴類，冷凝后得到燃料。此利用途徑短板在于裂解過程需要達到一定的溫度，耗費的能量較大，雖然可以實現(xiàn)廢棄聚乙烯再生煉油制蠟，但處理成本較高[23]。加入適當(dāng)?shù)拇呋瘎?，可通過催化裂解使得聚乙烯在相對較低的溫度下裂解產(chǎn)油，在節(jié)約能源的同時保證產(chǎn)油率高于直接高溫裂解[24]。因此，目前催化裂解的研究重點在于參與催化過程的高效催化劑的研發(fā)[16]。不同的催化劑其催化裂解效率不同，對廢棄聚乙烯裂解的液體收率也有影響，不同催化劑在裂解后得到液體收率的差異性見表2。

表2 不同催化劑催化裂解聚乙烯反應(yīng)條件及液體回收率

由表2 可知，無論是高密度聚乙烯還是低密度聚乙烯，它們的催化裂解溫度都在400 ℃及以上，在加入催化劑的情況下可以實現(xiàn)較高的液體收率，然后將所得液體二次分餾后就可以得到汽油、柴油和重油等燃料油[29]。除了分子篩類的催化劑，固體超強酸也可以催化裂解聚乙烯得到燃料油，許金生等[30]以固體超強酸（SO42-/ZrO2-TiO2-La）為催化劑催化裂解聚乙烯制備燃料油，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度為550 ℃時，催化性能最好，液體產(chǎn)物收率可達到最大值（85.5%）。由此發(fā)現(xiàn)，裂解溫度的不同，不僅影響催化裂解的效率，還影響最終的液體收率[31]。從資源再利用的角度來看，此利用途徑可充分發(fā)揮廢棄聚乙烯膜的利用優(yōu)勢，且催化裂解反應(yīng)快，效率高，所得油的品質(zhì)較好；但是，催化劑的重復(fù)使用性差是制約其應(yīng)用的關(guān)鍵問題[32]。

2.4 廢棄聚乙烯膜制蠟

聚乙烯蠟具有毒性小、抗腐蝕、耐高溫、潤滑性和流動性好等優(yōu)點，應(yīng)用十分廣泛，比如可在一些塑料橡膠的加工過程中起到良好的促進作用，提高其生產(chǎn)效率[33]。由于聚乙烯蠟的生產(chǎn)成本較高，近年來尋求經(jīng)濟可行的生產(chǎn)工藝成為其研究的重點。王瑩等[10]利用廢棄聚乙烯農(nóng)膜等為原料，在一定的反應(yīng)溫度下恒溫裂解，制得聚乙烯蠟。胡浩斌等[34]將回收的農(nóng)膜進行催化裂解，在研究催化劑、裂解溫度及時間對產(chǎn)品收率和性能影響的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地利用響應(yīng)面法（response surface methodology,RSM）對廢棄聚乙烯農(nóng)膜催化裂解制備聚乙烯蠟的工藝進行優(yōu)化，為廢棄聚乙烯農(nóng)膜的綜合利用提供了科學(xué)依據(jù)。袁倩等[35]以洗凈的廢塑料為原料，在反應(yīng)釜中熱解后得到聚乙烯蠟，再次證明廢棄聚乙烯膜裂解再生產(chǎn)聚乙烯蠟的技術(shù)可行性。因此，廢聚乙烯塑料熱解制取聚乙烯蠟在技術(shù)和經(jīng)濟上可行，且具有極大的工業(yè)應(yīng)用前景。

3 總結(jié)與展望

棉田回收廢棄聚乙烯農(nóng)膜的處理方式有很多，單從產(chǎn)品來看，廢棄聚乙烯農(nóng)膜回收就有很大的經(jīng)濟效益。隨著處理技術(shù)和方法的不斷優(yōu)化，廢棄聚乙烯農(nóng)膜的回收利用也將愈加普遍，從熔融再生產(chǎn)塑料制品或直接破碎再生產(chǎn)農(nóng)膜，到高溫、催化裂解煉油和制聚乙烯蠟，廢棄聚乙烯農(nóng)膜將不再是棉田地頭可見的垃圾，而是一種能夠被有效利用的資源，可以同時創(chuàng)造經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。

但目前棉田廢棄聚乙烯農(nóng)膜回收再利用的實際操作中，還存在一些亟待解決的現(xiàn)實問題：（1）如何激勵棉田廢棄聚乙烯農(nóng)膜的高效回收。雖然目前大力倡導(dǎo)農(nóng)業(yè)廢物資源化的處理處置，但農(nóng)戶對于農(nóng)膜的回收重視程度不是很高，所以需要制訂一些切實可行的獎勵性規(guī)定來提高農(nóng)戶回收棉田殘膜的積極性，同時加大宣傳碳排放政策的力度以增強農(nóng)戶環(huán)保意識。（2）棉田農(nóng)膜回收技術(shù)待優(yōu)化?；厥諝埬さ奶幚砑夹g(shù)是農(nóng)膜回收再利用的關(guān)鍵因素之一。目前主要有人工回收和機械回收2 種方法[36]。人工回收不僅工作強度大，回收效率較低，而且只能清除棉田里可見的殘膜，無法適應(yīng)長遠植棉發(fā)展的要求。從節(jié)約成本和可行性的角度出發(fā)，機械回收是廢棄農(nóng)膜回收的合適選擇?，F(xiàn)在市場上已經(jīng)出現(xiàn)能夠?qū)⑥r(nóng)膜和棉稈分離的農(nóng)具設(shè)備，只是回收的殘膜中仍然存在棉稈和棉葉，其中干棉葉尤其多，回收后在加工再生產(chǎn)品之前還需要進行殘膜人工分離，處理成本較高[37]。優(yōu)化可回收棉田廢棄農(nóng)膜的機器處理技術(shù)，減少干棉葉攜帶的同時實現(xiàn)棉田殘留農(nóng)膜較高的回收率[38]，也是提高棉田農(nóng)膜回收再利用效率的可行方法。（3）廢棄聚乙烯農(nóng)膜再生產(chǎn)二次塑料的質(zhì)量待提高。在廢棄聚乙烯農(nóng)膜直接再生利用過程中，簡單的處理操作雖然可以節(jié)省時間，但雜質(zhì)的去除率并不理想，造成二次生產(chǎn)的塑料制品出現(xiàn)強度、外觀不合格等質(zhì)量問題[39]。所以，再生產(chǎn)二次塑料制品時，不僅要保證生產(chǎn)過程的高效率，還要確保最終的產(chǎn)品質(zhì)量能夠達標(biāo)。（4）開發(fā)更高效催化廢棄聚乙烯農(nóng)膜裂解的催化劑。目前用于催化裂解廢棄聚乙烯的催化劑有很多，主要不足是：大部分催化劑在使用后無法回收再利用，增加了裂解過程的成本；催化裂解制燃料油的液體收率和產(chǎn)油率有待進一步提高。通過解決催化劑的這些不足，可進一步擴大廢棄聚乙烯農(nóng)膜再利用的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。

綜上所述，棉田中廢棄聚乙烯農(nóng)膜的回收在環(huán)境和經(jīng)濟上具有雙重的價值。未來的發(fā)展方向以優(yōu)化再利用處理技術(shù)為主，降低回收再生產(chǎn)的成本，同時研發(fā)高質(zhì)量的再生產(chǎn)品，進一步提升棉田廢棄聚乙烯農(nóng)膜的回收利用率，實現(xiàn)廢物資源再利用的可持續(xù)發(fā)展。廢棄聚乙烯農(nóng)膜回收利用率的提高，也意味著殘膜對棉田土壤質(zhì)量的危害降低，可以作為提高棉花產(chǎn)量切實可行的途徑。