廢塑料資源化高值利用的產業發展

王 奔 黃菊文 朱昊辰 賀文智 李光明

同濟大學環境科學與工程學院

0 前言

塑料的生產和塑料制品的應用可追溯到20世紀初期，但直到20世紀50年代，塑料工業才得以迅速發展。塑料產品被應用到了各個領域，逐漸融入人們的生活[1]。據統計，目前人類生產的塑料制品已經超過90億t[2]。近些年來，隨著我國的電商、快遞、外賣等行業的興起，塑料包裝制品的消耗量呈現出爆發式的增長。如果廢塑料得不到妥善處理，隨意地丟棄在環境中，將會對生態環境造成嚴重的破壞。

1 廢塑料資源環境問題

1.1 廢塑料引發的環境問題

由于廢塑料具有輕質性、不易降解性，可長期留存性，隨意丟棄在環境中，易造成“白色污染”問題。直接將其掩埋，則會造成土壤和水環境的污染。環境中的廢塑料經風吹日曬等遷移轉化過程，易形成“微塑料”，通過食物鏈、食物網進入人體，威脅人類的身體健康[3-5]和破壞生態環境。

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，焚燒處理會產生很多污染性氣體，造成大氣污染。填埋處理則會長期地留存在填埋場中，產生有毒的滲濾液，污染土壤和地下水。資源化回收利用法是目前普遍認同的處理方法，但是由Geyer等[6]2017年做出的一項調查報告中顯示，人類過去70多年里產生的大量廢塑料，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、化學法以及轉化為能量等方法。對于回收利用價值高的廢塑料，可通過物理、化學等方法，將其轉化為再生資源，或用作其它產品的原料；對于回收利用價值低的廢塑料，將其轉化為能量，從而實現其資源化利用[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值的產品。而廢塑料經回收分類，根據分類后塑料的材質，可再生應用到具有更高價值的產業領域。

目前，城市廢塑料的回收途徑主要有三類：生產者自行回收、第三方回收企業回收、社區回收[9]。對于生產者自行回收而言，其回收的對象是塑料生產企業自己加工生產時產生的廢棄物、邊角料等。生產者可以直接將這些廢塑料作為原料，進行二次利用，不僅可降低生產的原料成本，還可以減少運輸成本、排放成本，并節約大量資源。對于第三方回收企業，它們的回收對象包括塑料生產企業產生的不想自己處理的廢塑料，也包括一些報廢品回收拆解企業產生的塑料廢棄物等。社區回收，主要的回收對象是人們生活中產生的廢塑料，如快遞外賣的包裝袋、飲料瓶等。這一回收途徑需要人們進行生活垃圾分類，也要依靠垃圾回收中轉站工作人員進行進一步篩選工作。

1.3 廢塑料資源化產業發展現狀

廢塑料是蘊含大量能量和有機高分子的材料，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，不符合可持續發展理念。因此，尋找廢塑料的高值化利用途徑，對社會發展、經濟發展、生態保護具有重大意義[10,11]。

自上世紀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，廢塑料成分復雜，再生利用產業基礎薄弱，缺乏關鍵的再生利用處理技術，缺乏高值資源化利用產業，缺乏產業標準，政府扶持力度不夠大，技術創新投入不足等原因，我國廢塑料的再生利用一直處于較低水平。

因為塑料來自于石油化工，而我國又是石油資源十分匱乏的國家之一，所以每年除了進口大量的石油外，還要從國外進口大量的塑料資源，以滿足國內市場需求。如表1塑料進出口數據所示，在2018年之前，我國每年進口大量塑料原料以及廢塑料。雖然2018年后，我國政府逐漸意識到“洋垃圾”對環境帶來的危害，并頒布“禁廢令”嚴格管控廢棄物的進口，廢塑料進口量驟降，但是，從塑料進口總量來看，減少的廢塑料進口量被填補到塑料原料的進口量上。從出口量分析，近三年，廢塑料的出口量在逐漸增加。這主要是因為“禁廢令”實施以來，廢塑料的回收利用在國內得到足夠重視，廢塑料回收產業以及再生利用產業開始加速發展，市場投資空前活躍。廢塑料回收品質的提高，也得到國外資源再生利用企業的認可，因而出口量逐年增長。

麥肯錫咨詢公司曾在一篇研究報告里指出，到2030年全世界的塑料回收率將達到50%，這將帶來巨大的商業價值。此外，未來10年，石化和塑料產業的利潤增長，三分之二將來自廢塑料的回收利用，可達到600億美元[12]。

2 廢塑料資源化高值利用

2.1 廢塑料資源化產物應用于基建行業

近年來，廢塑料和其他材料混合制造建材廣受關注，主要是因為應用廢棄的塑料可以大幅度降低建材生產的成本。傳統的廢塑料回收利用是將其與木料混合，生產板材。而如今隨著技術進步，廢塑料的應用已經拓展到與各種無機材料、有機材料混合，用于生產具有更高價值的建筑材料、工程材料，不僅降低了建材的生產成本，而且可以加強建材的性能，提高資源回收利用率。

目前，對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，通過正交實驗，得到最佳的材料配比方案，生產了復合混凝土保溫砌塊，具有自重輕、保溫性能好、強度高等優點。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。通過對這種涂料進行性能分析，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應用在建筑樓板中，利用EPS填充鋼筋混凝土現澆板，不僅節省大量的混凝土用量，減輕結構自重，并大大提高了樓板的保溫隔音性能。通過經濟效益分析，EPS填充板具有較大發展前景，并且其產量也在迅速增加。在道路交通領域，廢塑料也有廣泛應用。廢塑料以其優秀的抗震、降噪的性能，在橋梁、鐵路工程中逐漸突出了高值化利用價值[16]。青島楓葉環保公司研發出復合塑料彈性枕木，可降低高速列車運行時產生的噪音，減少軌道枕木的制造成本，并且具有更高的強度。匈牙利科學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。實驗表明，與瀝青混合后，鋪設的道路硬度更強，更耐碾壓。

表1 2013-2019年中國塑料原料進口量與廢塑料進出口量

廢塑料在建材領域的應用，也有許多已實現了商業化、產業化的案例。南京弘創聚合物裝備技術有限公司聯合行業內其他相關企業，共同開發了每小時產能1．5 t的EPS再生造粒機組。可以將廢棄泡沫塑料無害化回收、再生改性為優質材料，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多項實用新型專利，150多項外觀專利。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，僅兩臺擠壓機每年就可生產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的產品99%都是用飲料瓶等廢塑料通過多層共擠技術一次成型制成，通過加熱技術將其制成仿真木紋材料，用于家具、地板等裝潢建材，九成產品出口國外。2016年該公司產能達1．8萬t、銷售額達2億元，并還在以驚人的速度增長。

2.2 廢塑料資源化產物應用于能源燃料行業

廢塑料被現代經濟學家稱為“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，制備具有更高價值的燃油、燃氣等能源[17]。傳統的廢塑料轉化為能源的舉措僅僅是進行垃圾焚燒，利用燃燒熱進行發電。但這種方式不環保，且能源轉化率低，帶來的經濟效益不高。將其轉化為燃油是其高值化的一個有效途徑。

目前，將廢塑料轉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℃下進行高溫裂解，并加入火山巖灰作為催化劑，提高轉化為苯乙烯單體的效率，最后的液態油生產率能達到90．11%，用氣相質譜儀可測得，液態油中苯乙烯含量達55．62%。Lei等[19]以活性炭作為催化劑，將廢塑料在高溫下進行熔化，轉化為航空燃料。他們同時還測試了幾種不同的催化劑在不同溫度下的轉化結果，最好結果是產生85%的航空燃油和15%的柴油混合物，且燃料質量很好。英國斯旺西大學的研究人員[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，從而產生了氫燃料。通過研究，這一方法可以降解各種廢塑料，對廢塑料分類要求不高。產生的氫燃料可以為氫燃料汽車提供能源，具有重大的研究價值。

目前，將廢塑料轉化為高值燃料的研究還處于初級階段，一些轉化技術還處于研究理論階段，實際的產業化應用還有許多技術難點需要去突破。但也有一些成功應用的實例：蘭州德華事業公司開發的“廢舊塑料油化成套技術及設備”，出油率高達70%～90%，油品較高。產生的廢棄物還可以作為工業炭黑進行二次利用，國內多家單位也使用了該技術。我國應用廢塑料熱分解油化技術的企業還有很多，如表2所示[21]。

2.3 廢塑料資源化產物應用于織物、服裝產業

廢塑料應用于織物、服裝產業的發展一直受到多方面因素的制約，比如對回收的廢塑料品質要求較高，一般只針對聚酯類瓶（PET瓶），同時也受到人們觀念上的排斥等。對廢塑料轉化成織物、滌綸的相關研究不是很多，但是將廢塑料轉化為安全的紡織材料、服裝產品，利用品牌效應、市場宣傳，能夠產生更高價值。

表2 我國主要廢舊塑料熱分解油化企業

將廢塑料應用于織物、服裝產業的實例也有很多：2010年的南非世界杯，運動品牌耐克公司利用收集的1 300萬個廢塑料瓶，為其贊助的巴西、荷蘭、葡萄牙等9個國家的球隊制作了球衣，每件球衣大概由8個廢棄的PET瓶制成。2016年，德國運動品牌阿迪達斯公司用廢棄的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，阿迪達斯公司的春夏季服裝系列產品，有41%的原料來自于再生的廢棄PET瓶。運動品牌采用廢塑料制作運動服已經成為一種潮流，也成為各大品牌商環保宣傳的主題。美國的Polartec公司用100%可回收的REPREVE紗線來制作運動服，產品名為WindPro。每生產一件機車夾克就需要40個廢棄PET瓶，可以減少20%能源消耗，并且產品的質量具有四倍的抗風性，良好的防水性、透氣性。我國的“再造衣銀行”品牌，一直秉持著綠色環保理念，利用各種廢塑料制作時尚、環保的服裝產品。我國的龍福環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、紡織一條龍的循環經濟產業鏈，再生滌綸產品被廣泛地應用到裝飾布料等行業。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而成，具有阻燃、抗污、抗紫外線的功能，共消耗掉40多萬個廢舊礦泉水瓶，約10 t。

2.4 廢塑料資源化產物應用于煉鋼行業

煉鋼產業是我國最重要的產業之一。但是，近年來受鋼鐵產能過剩，生產成本增加等因素影響，鋼鐵產業發展遇到瓶頸，急需通過技術革新來突破這一束縛。將廢塑料作為煉鋼的原料添加劑，給煉鋼產業帶來一條新的發展思路。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的轉化率顯著提高。當廢塑料的添加量從0增加到40%，反應速度提高了一倍，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，降低生產成本，具有良好的經濟效益。日本是最早將廢塑料應用于煉鋼產業的國家之一，他們學習德國的經驗，引進高爐噴吹技術，開發廢塑料與焦煤混合煉焦技術[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個鋼鐵廠使用。煉鋼產業可謂是廢塑料消耗的大戶，對于鋼鐵第一生產大國的我國來說，如果實現該技術的大規模應用，廢塑料的資源化利用將帶來巨大經濟價值。

2.5 廢塑料資源化產物應用于高科技產業

隨著對廢塑料的研究進一步深入，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生一些高價值的燃油外，也有研究人員發現，裂解過程中，會產生一些碳納米管。目前對碳納米管的研究較為熱門，其獨特的一維中心空管狀結構和優異的化學穩定性、電學性能，在晶體管、量子導線、超級電容制造領域，有巨大的應用價值。目前工業制備碳納米管的碳源主要是高純碳氫氣體和礦物燃料，成本較高，若將廢塑料作為碳源，可極大降低生產成本，實現廢塑料的高值化。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。實驗顯示，在800℃條件下，裂解產物為多壁碳納米管，并且沒有積碳量的產生。姚丁丁等[26]，以雙金屬Ni-Fe為催化劑，將廢塑料熱解，生產富氫氣體和高品質的碳納米管。通過研究整個熱解的反應過程，分析影響碳品質、產率的因素。新加坡環境與水科技創新中心（EWTCOI）以PP、PS等為碳源制造碳納米管，產出的碳納米管長度在2～30μm之間，直徑約為20～150 nm。這項技術目前已經進行了實體試驗，一次可消耗300 kg廢塑料。

在3D打印領域，廢塑料作為打印材料的研究也得到一些人的關注。3D打印塑料線材對塑料的流動性要求不高，為廢塑料提供了應用空間。加拿大的初創公司，研制了一臺能夠將廢塑料轉化為3D打印線材的設備“ProtoCycler”。該設備利用智能化電腦控制，實時地反饋擠出線材的直徑。在2 h內可制成1 kg的3D打印線材。雖然3D打印技術目前還不成熟，但是，在未來具有巨大的發展前景。利用廢塑料作為打印線材，有利于促進技術的進步和3D打印產業的發展。

廢塑料用于制造超級電容的相關研究也有很多，zhang等[27]以廢棄聚苯乙烯為原料，通過弗里德-克工藝反應制備了一種簡便、高效的三維網絡結構多孔碳。用該材料制備的PC具有較大的比表面積和三維多孔結構，作為超級電容器的電極材料具有良好的電容性和電化學穩定性。Jiakang Min等[28]人,采用模板法對廢舊聚苯乙烯進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、價值高等特點。

3 總結與展望

廢塑料被認為是“人類第二礦藏”，其資源化回收利用的價值和意義不言而喻。尋找高值的資源化途徑，將廢塑料變廢為寶，對國家綠色發展、可持續發展至關重要。提前掌握關鍵技術，就等于抓住了未來資源的優先開發權。

分析國內外廢塑料的高值資源化產業發展現狀，有利于進一步了解廢塑料在各個產業領域的利用價值，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。同時，刺激國內廢塑料高值資源化產業的發展。尤其是在廢塑料轉化為燃油和高科技產業方面，要加大技術創新，加大相關研究的投入，以及加快產業化實際應用。從另一方面分析，加快廢塑料高值資源化產業發展，也可以促進國內廢塑料回收產業以及生活垃圾回收分類產業的發展。