《Clean Technologies》：Microwave Depolymerization of Various Plastic Wastes—Quarter-Scale Testing
Andrzej Piotrowicz,
Janusz Kolczyński,
Miros?aw Kostrzewa,
Wojciech Kaczmarek and
Bogdan Samojeden
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面对全球塑料废物堆积与机械回收、传统热解等现有技术效率低下的严峻挑战，本研究聚焦于规模化塑料化学回收技术。研究人员采用中试规模的微波辅助解聚（MD）反应器，系统地处理了包括PS、PP、ABS、键盘外壳、纺织品塑料、PCB及混合电子元件在内的多种塑料废弃物。研究发现，该技术能可靠地将多样化的塑料废物转化为烃类油，其产出油的组成（从富芳烃到脂肪烃）及光谱特征直接反映原料类型与微波热解路径。结果表明，微波解聚作为一项有前景的化学回收策略，具备处理异质、受污染废塑料流的潜力。
在当下，塑料制品已经渗透到人类生活的方方面面，从包装材料到电子产品，从服装纤维到汽车部件。然而，伴随消费量的激增，塑料废物的管理已成为全球性的环境难题。数据显示，自20世纪中期以来，全球塑料产量从约200万吨飙升至2021年的超过3.9亿吨，而其中仅有约9%进入了正式的回收系统，近79%最终堆积在填埋场或自然环境中。传统的主流回收方式——机械回收，面临聚合物降解、污染敏感、不同聚合物类别相容性有限以及材料降级循环等固有局限。尤其对于多层薄膜、纤维增强塑料和重金属颜料塑料，机械回收几乎束手无策。
与此同时，被认为是更灵活策略的热解（Pyrolysis）等化学回收技术，虽然能处理异质和受污染的原料，但传统热解通常需要在450–550°C的高温下运行数十分钟甚至超过一小时，能耗高、效率低，且其产生的热解油烃类分布广泛，限制了其在炼油厂中的直接应用。这些瓶颈促使科学家们将目光投向替代性的加热方式，微波辅助解聚（MD）因此进入视野。与传统的外部传导加热不同，微波加热通过电磁辐射与物质的相互作用（偶极旋转和离子传导）在材料内部直接沉积能量，从而实现更快速、更动态的加热响应。尽管大多数纯聚合物本身是微波的不良吸收体，但通过添加石墨、炭黑等微波感受剂，可以产生局部超过1000°C的高温“热点”，高效引发聚合物链的热裂解。
基于此背景，一个关键的科学与工程问题浮出水面：在实验室规模已证明有效的微波解聚技术，能否成功迈向更大的处理规模，并稳定处理真实世界中成分复杂的混合塑料废物？为了回答这一问题，由Andrzej Piotrowicz, Janusz Kolczyński, Miros?aw Kostrzewa, Wojciech Kaszmarek 和 Bogdan Samojeden组成的研究团队在《Clean Technologies》期刊上发表了题为“Microwave Depolymerization of Various Plastic Wastes—Quarter-Scale Testing”的研究。他们构建了一个内部容积达35.3升的四分之一中试规模微波反应器，旨在评估在几公斤级批量处理下，MD技术处理多种消费后塑料废物的产品组成、能量效率以及原料类型对油产量和质量的影响。
研究采用了几项关键技术方法。首先，他们设计并建造了自制四分之一规模微波反应堆，配备了双磁控管（总功率高达3.1 kW）和氮气吹扫系统，能够处理3-6公斤的原料批次。其次，研究系统地测试了多种异质塑料废物流，包括聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、废弃键盘外壳、含塑料的纺织品、印刷电路板（PCB）以及混合电子元件等。第三，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR） 对生成的所有油品主馏分及其分馏馏分进行了化学表征，通过分析特征官能团（如脂肪族C-H伸缩、芳香族环振动、羰基C=O和羟基O-H）来半定量比较不同原料产油的光谱特性。最后，对收集的油品进行了分级蒸馏，分离出低沸点（<250°C）和高沸点（250–350°C）馏分，以评估油品的组成分布。
微波解聚测试与热行为
研究人员系统考察了不同原料在微波反应器中的热行为。电压与内部温度的关系表明，提高磁控管电压会导致温度升高，但这种关系是非线性的。其中，聚苯乙烯（PS）表现出最高的微波耦合效率，在约4.1 V和低于1.1 kW的功率下，反应器内部温度即可超过200°C，这证实了PS能快速转变为微波吸收性良好的部分碳化状态。相比之下，聚丙烯（PP）需要更高的电压和累积能量输入才能达到相似温度。热成像观测显示，热量在反应器外部表面分布不均，高温区集中在微波辐射进入腔室的波导焊接部分，这与微波驱动过程中内部能量沉积主要由原料的介电和导电特性决定的特点一致。所有实验都成功产出了冷凝液馏分，且油品颜色深度与芳烃含量相关：PP油最浅（黄至浅橙色），ABS油呈橙/棕色，而PS和电子废物油则呈深棕色。
油品的化学特性分析
傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析揭示了产油化学组成与原料的强关联性。所有油品均以脂肪族C-H伸缩带（2956–2850 cm-1）为主的烃类基质。然而，芳香族贡献差异显著：PS产油富含芳香族C-H面外弯曲带（900–650 cm-1）；PP油主要为脂肪族油，带有少量芳香族特征；ABS或电子材料则产生混合的脂肪族-芳香族谱图。一个显著的发现是，纺织品油还表现出羰基（C=O）和羟基（O-H）谱带，表明存在含氧分解产物。这些光谱特征通过计算芳香性指数（ArI）、羰基指数（CI）和羟基指数（OHI）进行了半定量比较，进一步证实了原料组成对最终产物的决定性影响。
固体残留物与分馏蒸馏
实验后，所有批次都回收到固体残留物。聚烯烃类原料（如PP）残留物最少，呈脆性黑色颗粒或薄膜。而含苯乙烯、丙烯腈或ABS的材料会产生更多、结构更疏松的深棕色至黑色残留物。电子塑料残留物则更为复杂，常含有填料、颜料和无机碎片。分级蒸馏结果表明，PP产生的油中，60-70%为低沸点（<250°C）脂肪族馏分，而苯乙烯类和ABS塑料的油则主要集中于沸点更高（250–350°C）的馏分，这与它们更高的芳香族含量和更低的挥发性相一致。
研究结论与重要意义
本研究通过四分之一中试规模实验，成功验证了微波辅助解聚（MD）技术处理多种异质消费后塑料废物的可行性与有效性。核心结论是：MD能够可靠地将多样化的塑料废物转化为烃类油，且产出油的化学和光谱特性直接反映了原料的组成及微波加热特有的热裂解途径。
这项工作的意义重大。首先，它在实验室规模验证与工业级应用之间架起了一座关键的桥梁。研究证明，在公斤级处理量下，MD技术依然能稳定运行并有效转化复杂混合物，为后续真正的工业示范提供了宝贵的数据和工程经验。其次，研究系统揭示了原料化学性质对微波加热效率及最终产物的决定性影响，这为未来针对特定废物流优化工艺参数（如温度、功率、感受剂添加）提供了科学依据。例如，PS的高效耦合提示其可能更适合微波处理，而纺织品的含氧产物则需后续精制步骤。最后，通过FTIR和蒸馏分析，研究明确了MD产油具备作为化工原料或燃料前体的潜力，其组成可通过分馏进行初步分离，低沸点脂肪族馏分可能更适合作为燃料，而高沸点芳香族馏分则可用于生产高价值化学品。
总之，这项研究不仅推进了微波解聚技术向实际应用迈出的坚实一步，也为应对全球塑料污染挑战、发展高效灵活的化学回收技术路线提供了重要的实验证据和理论支持。
