張雪,張承龍

(上海第二工業(yè)大學城市建設(shè)與環(huán)境工程學院,上海201209)

我國廢舊塑料的資源再利用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

張雪,張承龍

(上海第二工業(yè)大學城市建設(shè)與環(huán)境工程學院,上海201209)

通過對當前我國廢舊塑料資源再利用現(xiàn)狀的研究,分析和對比了不同廢舊塑料資源再利用方法的工藝和特點,并且對廢舊塑料處理的發(fā)展趨勢做出了預(yù)測。

廢舊塑料;再利用技術(shù);再生

0 引言

塑料是20世紀以來人類的重大發(fā)明之一,隨著20世紀中葉塑料工業(yè)的興起,人類進入了塑料時代。由于塑料具有質(zhì)輕、強度高、化學穩(wěn)定性能好、電絕緣性能好、良好的防護及透光性能和減震、消音性能等優(yōu)點,一躍成為家電、電子、汽車、船舶制造、建筑、包裝等行業(yè)不可缺少的材料。

塑料來源于石油,石油資源是有限且不可再生的,按當前世界石油的儲量和產(chǎn)量估算,50年內(nèi)石油資源將會耗竭。在我國,石油消費50%依賴進口,塑料原料42%依賴進口,因而塑料再生利用成為解決我國石油資源短缺的重大戰(zhàn)略問題,并且,來源豐富、價格低廉的再生塑料還可以解決塑料原料緊缺的問題。

隨著社會的發(fā)展,塑料以其優(yōu)異的性能不斷替代鋼鐵、木材、皮革、布匹等傳統(tǒng)材料,越來越多地用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。按體積計,目前世界塑料材料的消費量已遠遠超過鋼鐵。為避免塑料廢棄物污染環(huán)境,同時提取其中有價值的資源,對廢舊塑料進行資源化利用勢在必行。

1 廢舊塑料概況

我國塑料產(chǎn)量一直位居世界前列,據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示,2012年,全國塑料制品的產(chǎn)量達5 781.8萬t,同比增長8.99%[1]。但是我國對塑料的消費量更為巨大,據(jù)估計超出產(chǎn)量的50%,目前我國已經(jīng)成為全球廢塑料進口和消費最多的國家[2]。

2011年我國廢舊塑料總量已近2億t,而回收總量僅為1 500萬t,回收率不到10%[3]。據(jù)國家環(huán)保部統(tǒng)計,2011年,我國僅一次性塑料薄膜與泡沫包裝就超過9 500萬t,超過塑料產(chǎn)量的60%,預(yù)計80%的一次性包裝制品將在一年內(nèi)被廢棄。據(jù)中國塑料加工工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計,我國每天僅買菜就要使用塑料袋10億個,每年消耗一次性餐盒150億個,快速消費品零售全行業(yè)每年消耗塑料袋約500億個[4]。另外,報廢家電、汽車塑料高達6 500萬t,隨著汽車與電子電器產(chǎn)品到了大量報廢期,這類廢舊塑料的產(chǎn)生量將進一步增加。

2 廢舊塑料回收利用技術(shù)

由于廢舊塑料質(zhì)量輕、體積大、不易降解等特點,對其進行無害化處理并不容易。目前,廢塑料的處理主要有三種方式:焚燒、衛(wèi)生填埋和再生利用。衛(wèi)生填埋法是世界各國大量采用的處理方法,建設(shè)投資少、運行費用低。但該法占用大量的土地資源,嚴重阻礙水的滲透和地下水流通,塑料中的添加劑如增塑劑等溶出還會造成二次污染,同時該法浪費了大量可利用的塑料資源。廢舊塑料處理的另一主要方法是焚燒回收熱能。該法具有成本低、處理數(shù)量大、效率高等優(yōu)點,但廢舊塑料在焚燒過程中會產(chǎn)生二噁英、呋喃等有害物質(zhì),如果含有鎘、鉛等重金屬化合物,還會隨煙塵、焚燒殘渣一起排放,污染環(huán)境[5]。因此對廢舊塑料進行資源化再生利用就顯得尤為重要了。其中主要再生利用方法包括:直接利用法、改性法、油化法、氣化法、解聚單體化法以及直接做原料或還原劑等方法。

2.1 直接利用法

廢舊塑料可以通過簡單處理直接再利用,通常要經(jīng)過分選與分離、破碎、清洗、干燥步驟后再進行熱熔、拉絲、冷卻、切粒后即制成塑料再生粒。

廢舊塑料來源廣泛,成分復(fù)雜,并且塑料種類繁多,性質(zhì)差異大,因此在廢舊塑料再生利用前應(yīng)先對其去除雜質(zhì)并且分成單一品類,以提高塑料再生料的品質(zhì)。廢舊塑料在被造粒之前需要加熱干燥,能耗較高。某再生造粒企業(yè)統(tǒng)計分析顯示,造粒車間用電量可占企業(yè)用電總量的97%以上[6]。同時,由于廢舊塑料中摻混雜質(zhì)較多,濾網(wǎng)網(wǎng)孔極易阻塞,需經(jīng)常更換。

廢舊塑料直接利用法簡單易行,但是再生料的力學性能下降較大,不宜制作高檔次產(chǎn)品。通常該法與改性技術(shù)相結(jié)合使用,可明顯改善再生料的基本力學性能,滿足專用制品的質(zhì)量需求。開發(fā)一種全新結(jié)構(gòu)的高分子化合物來滿足某種用途的要求有時是不可能的,有時則耗資巨大,而采用改性技術(shù)則輕而易舉。

2.2 改性法

改性塑料的表觀消費量逐年增長,平均年增長率超過15%,2010年我國改性塑料產(chǎn)品的產(chǎn)量已經(jīng)達到5 830萬t。我國改性塑料產(chǎn)品主要集中于家電和汽車行業(yè),這也與近些年我國家電和汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢相吻合。

塑料改性一般是指通過機械共混或化學接枝對再生料進行改性,通常是在塑料原料中添加礦物質(zhì)、彈性體、纖維、阻燃劑等,明顯改善塑料的耐熱性、抗老化性、耐蠕變性和耐疲勞性等性能。經(jīng)過改性的再生制品其力學性能得到改善或提高,甚至高于原樹脂的性能,可以做檔次較高的再生制品。同時,添加礦物質(zhì)等成本較低的填料可以大幅度降低塑料材料的成本。當前比較熱門的詞匯“以塑代木”、“以塑代鋼”便是對塑料改性技術(shù)的描述。

張寧等[7]對聚乙烯(PE)進行改性,研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)KH-550偶聯(lián)劑處理的長玻璃纖維的質(zhì)量分數(shù)為30%、長度為35 mm時,復(fù)合材料的拉伸強度為52.5 MPa,沖擊強度為52 kJ/m,力學性能有較大改善。

劉亞群等[8]制備出填充量高達80%的滑石粉/PE材料,通過研究發(fā)現(xiàn)該材料的降解性得到提高,這就能很好地解決聚乙烯的污染問題。

改性塑料作為年產(chǎn)數(shù)千萬噸的新興行業(yè),是我國塑料工業(yè)的重要方面軍。改性法大幅度降低了合成獨特功能新型高分子化合物的成本。同時,在保證使用性能要求的前提下降低了塑料制品的成本,提高了產(chǎn)品技術(shù)含量,增加了其附加值。改性法是當前塑料工業(yè)研究的熱點,是廢塑料處理最有發(fā)展前景的途徑之一。

但至今改性技術(shù)仍有其缺陷:①“增重”問題,非金屬礦物的密度比合成樹脂大很多,通常要大2～3倍,有的如重晶石粉的密度比聚乙烯大5倍左右[9];②填料表面處理問題,填料顆粒與高分子基體之間的界面非常復(fù)雜,填料顆粒表面處理技術(shù)及效果還有待進一步研究;③改性利用固然增加了廢舊塑料的附加值,但是再生料仍擺脫不了降級使用,并且改性之后塑料的再分離也是問題。

2.3 裂解法

廢塑料裂解油化即在高溫或催化劑的作用下將廢塑料轉(zhuǎn)化為再生油用作燃料或化工原料。在適當?shù)臏囟取毫痛呋瘎l件下,廢塑料裂變?yōu)榈头肿踊衔?利用這一性質(zhì)可以生產(chǎn)出汽油和柴油。

通常廢塑料裂解油化技術(shù)分為熱裂解法、催化熱裂解法、熱裂解-催化改質(zhì)法3種[10]。

熱裂解法是最簡單的廢塑料回收法,即通過提供熱能,克服廢塑料裂解所需的活化能,使之發(fā)生解聚反應(yīng)生成單體和低分子化合物。該方法投資少,工藝簡單,但出油率低,產(chǎn)品雜亂,而且裂解反應(yīng)溫度高,反應(yīng)時間長,所得的液體燃料中汽油和柴油含量低。催化熱裂解法投資較少,工藝較簡單,并且反應(yīng)速率快,產(chǎn)物中異構(gòu)化、芳構(gòu)化油品較熱裂解多。但是,反應(yīng)過程中催化劑表面有大量焦炭沉積使其失活,催化劑的再生與回收都較為困難,而且直接影響裂解反應(yīng)效率的催化劑選取往往也是瓶頸問題。熱裂解-催化改質(zhì)法又稱二段法,是將廢塑料熱裂解后,對裂解氣進行催化改質(zhì)。該方法可克服熱裂解法所制得的汽油和柴油含量和品質(zhì)低的缺點,運行費用低,操作靈活,但投資大,工藝比較復(fù)雜。

另外,還有一些裂解方法,如超臨界水裂解法、與煤共液化裂解法、與煤焦油共液化裂解法等。

姚致遠等[11]對廢PE、廢聚丙烯(PP)、廢聚苯乙烯(PS)等混合塑料進行裂解,采用自制改性ZSM-5型分子篩催化劑,液體油產(chǎn)率高達90%。

國外早在20世紀70年代就開始了廢塑料裂解制油的研究并應(yīng)用于實際生產(chǎn),至今已有40多年的歷史。我國對該技術(shù)的研究尚不成熟,目前國內(nèi)廢塑料油化企業(yè)均采用熱裂解法,所用廢塑料可以是單一品種,也可以是混合塑料,但是很多企業(yè)生產(chǎn)出的油品質(zhì)量不高,達不到國家90#汽油和0#柴油的標準,并且生產(chǎn)成本較高,產(chǎn)品不能實現(xiàn)其應(yīng)有的經(jīng)濟價值,極大地影響了該技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

2.4 氣化法

廢塑料氣化技術(shù)是利用氣化介質(zhì)(空氣、氧氣或水蒸氣)將塑料分解,以獲得合成氣(CO、H2、CH4等)。這些氣體可作為生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品(甲醇、合成氨等)的原料,也可作為燃料來發(fā)電和供熱[12]。

氣化法是一種簡單可行的回收廢塑料的方法,氣化產(chǎn)物不僅可用于高效、低污染聯(lián)合循環(huán)電站發(fā)電和供熱,還可用于制造高附加值的化工產(chǎn)品。廢舊塑料不必分類即可用作氣化原料,適合用于難分選的廢舊塑料,氣化的效率也較高。同時,可通過高溫氣化溫度控制等措施抑制二噁英的產(chǎn)生。

王震等[13]采用生命周期分析法對比了廢PP氣化技術(shù)和超臨界水降解技術(shù)的環(huán)境影響,結(jié)果表明超臨界水降解技術(shù)的總環(huán)境負荷是氣化技術(shù)的3.6倍。

2.5 解聚單體化法

因為塑料中含有容易切斷的鍵,所以在受到光、熱、氧氣或微生物等外部作用下易老化而造成品質(zhì)下降,但這卻為廢舊塑料的解聚提供了可能。該法是通過一定的途徑使廢舊塑料解聚來獲得單體或者化工原料,從而使廢舊塑料達到再生利用的目的[14]。

對PE、PP、PS等游離基的聚合物可通過熱解聚的方法對其單體化,根據(jù)熱解機理的不同,所需溫度、催化劑等熱解條件不同,產(chǎn)生的單體和低聚物也不同。廢舊塑料熱解聚所需溫度一般在500～800°C之間,單體回收率在70%～90%之間。

對聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚酰胺(PA)、聚氨基甲酸酯(PU)、聚甲醛(POM)等縮合聚合類塑料的解聚方法大多為化學法,包括醇解法、水解法、氨解法、酯交換法,以及新型的亞-超臨界解聚法等。不同種類的塑料因其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的差異,解聚時需要不同的特定工藝,其中水解法和醇解法用得較多。

為了獲得高質(zhì)量的產(chǎn)物,解聚單體化法對廢塑料的純度要求較高,要求廢塑料為單一品種,分選、分離工作要做得徹底。

2.6 替代還原劑或化學原料的方法

在煉鋼工業(yè)的高爐煉鐵過程中,廢塑料可以作為還原劑代替焦炭[15]。在煉鋼高爐中吹入粉碎的廢塑料,廢塑料在高溫下裂化生成CO與H2等還原性氣體,使鐵礦石還原為鐵。該法投資小、成本低,可直接利用已有的設(shè)備,而且可對混合塑料進行處理。同時,廢塑料在煉鋼溫度下可以充分燃燒并最終生成二氧化碳和水,避免產(chǎn)生有害氣體。但是,高爐噴吹技術(shù)要求塑料被加工成一定的粒度,增加了成本。

煉焦廠的煉焦過程中,可將廢塑料代替煤作為原料。廢塑料在煉焦爐中不發(fā)生燃燒而發(fā)生熱分解,生成焦炭、焦油、輕油、汽油和氣體等。在煉焦過程中加入脫氯、去雜質(zhì)的廢塑料和煤炭,比只加入煤炭時的焦油產(chǎn)率有所提高。此法可用于處理混合塑料,并且利用率非常高。同時,通過對該法進行生命周期評價,節(jié)約資源的同時可有效降低二氧化碳的排放。

在燒制水泥的過程中,可將廢舊塑料作為燃料替代化石燃料。將脫氯的廢塑料加入水泥窯,為燒制水泥的過程提供熱量。該法不僅節(jié)約了化石燃料,而且廢塑料在燃燒過程中產(chǎn)生的酸性燃氣可以替代生產(chǎn)水泥所需的中和劑。該法是近幾年才發(fā)展起來的,良好的經(jīng)濟性使其得到較廣泛的工業(yè)應(yīng)用。

3 廢舊塑料回收與再生利用的發(fā)展趨勢

目前,對廢舊塑料回收與再生利用方法的研究和推廣越來越趨向于污染小、效率高、易操作、經(jīng)濟效益好的技術(shù)和工藝。

(1)對廢舊塑料資源化處置方式的多樣化使得比較和分析不同再利用方法顯得格外重要。選擇合理的處理方法可使其對環(huán)境污染最小化、資源回收利用效率最大化,同時具有良好的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。

①直接利用法應(yīng)用廣泛并且工藝成熟,但是只能再生單一品種的塑料,制成品力學性能下降較大,不宜制作檔次較高的制品。而改性再生法在該法的基礎(chǔ)上對廢塑料改性再利用,產(chǎn)品性能得到提高,可獲得良好的經(jīng)濟效益,值得廣泛應(yīng)用和推廣。

②裂解油化技術(shù)可處理混合塑料制品,但是很多企業(yè)生產(chǎn)出的油品質(zhì)量差,達不到相關(guān)標準,并且生產(chǎn)成本高,產(chǎn)品不能實現(xiàn)其應(yīng)有的經(jīng)濟價值。另外,催化劑的選擇也制約了油化法的發(fā)展。

③氣化技術(shù)可處理混合塑料制品,并且氣化效率較高,同時可抑制二噁英的產(chǎn)生。

④解聚單體化技術(shù)對廢塑料的純度要求高,增加了分離的成本,同時需要在溶液中反應(yīng),消耗大量的試劑并且會有后續(xù)的污水需要處理,大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用不適用于所有的塑料品類。

⑤廢舊塑料在煉鋼、煉鐵、水泥制造等過程中替代還原劑或化學原料的應(yīng)用技術(shù),投資小、成本低,而且可以對混合塑料進行處理,避免產(chǎn)生有害氣體,可有效降低二氧化碳的排放,具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益,應(yīng)該大力鼓勵和推廣。

(2)廢舊塑料再生利用的創(chuàng)新工藝及其配套設(shè)備是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。研究并發(fā)展相關(guān)的工藝及其設(shè)備是未來發(fā)展的重要方向之一。如何盡快把新的科技研究成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力、在實際中應(yīng)用,同樣是未來應(yīng)該努力的方向之一[16]。

(3)最好的廢塑料再利用方法不是單一的方法,要綜合利用多種方法才能達到最好的效果。因為不同的方法適用不同的廢塑料,各有其優(yōu)缺點。例如:對于比較容易分選的塑料適用直接再生法或單體化法,而對于分選比較困難的混合塑料則適用油化氣化或者替代還原劑、化學原料的方法。

4 結(jié)語

廢舊塑料的資源性和污染性并存,通過對其資源化再利用,消除其環(huán)境污染性并作為資源加以回收利用,是刻不容緩的事。從循環(huán)經(jīng)濟的角度來看,除了回收再利用這種最有效的方式之外,廢塑料的源頭減量、綠色設(shè)計以及廢棄時自覺分類等均是解決廢舊塑料問題的重要途徑。因此,在廢舊塑料的處理技術(shù)中,減小廢舊塑料的環(huán)境污染性,減少資源浪費,延長其使用壽命,實現(xiàn)其資源循環(huán)再生,化害為利、變廢為寶,保護環(huán)境,實現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展,具有重要的意義。

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Waste Plastics Recycling and Reuse Technology Situation and Development Trend in China

ZHANG Xue,ZHANG Cheng-long
(School of Urban Development and Environmental Engineering,Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China)

Through the study of the current status of waste plastic recycling,the processes and characteristics of different methods of recycling waste plastics are analyzed and compared,and the development trend of waste plastics processing is forecast.

waste plastics;recycling technology;regeneration

X783.2

A

1001-4543(2014)03-0193-05

2014-03-22

張承龍(1975–),男,江蘇昆山人,副教授,博士,主要研究方向為固體廢物資源化。電子郵箱clzhang@sspu.edu.cn。

上海市自然科學基金項目(No.14ZR1416900)資助