废塑料资源化高值利用的产业发展

王 奔 黄菊文 朱昊辰 贺文智 李光明

同济大学环境科学与工程学院

0 前言

塑料的生产和塑料制品的应用可追溯到20世纪初期，但直到20世纪50年代，塑料工业才得以迅速发展。塑料产品被应用到了各个领域，逐渐融入人们的生活[1]。据统计，目前人类生产的塑料制品已经超过90亿t[2]。近些年来，随着我国的电商、快递、外卖等行业的兴起，塑料包装制品的消耗量呈现出爆发式的增长。如果废塑料得不到妥善处理，随意地丢弃在环境中，将会对生态环境造成严重的破坏。

1 废塑料资源环境问题

1.1 废塑料引发的环境问题

由于废塑料具有轻质性、不易降解性，可长期留存性，随意丢弃在环境中，易造成“白色污染”问题。直接将其掩埋，则会造成土壤和水环境的污染。环境中的废塑料经风吹日晒等迁移转化过程，易形成“微塑料”，通过食物链、食物网进入人体，威胁人类的身体健康[3-5]和破坏生态环境。

废塑料的处理处置的大致途径包括：焚烧、填埋、资源化回收利用和直接丢弃到环境中，其中焚烧和填埋是目前处理废塑料最主要的方法。但是塑料制品大多是合成高分子化合物，焚烧处理会产生很多污染性气体，造成大气污染。填埋处理则会长期地留存在填埋场中，产生有毒的渗滤液，污染土壤和地下水。资源化回收利用法是目前普遍认同的处理方法，但是由Geyer等[6]2017年做出的一项调查报告中显示，人类过去70多年里产生的大量废塑料，只有25%得到合理的利用。如此低的回收利用率，造成了极大的资源浪费问题。

1.2 废塑料资源化回收利用方法

废塑料的资源化回收利用有物理法、化学法以及转化为能量等方法。对于回收利用价值高的废塑料，可通过物理、化学等方法，将其转化为再生资源，或用作其它产品的原料；对于回收利用价值低的废塑料，将其转化为能量，从而实现其资源化利用[7]。

废塑料种类有很多，例如，城市生活垃圾中的废塑料大多为一次性包装材料，主要可分为聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等[8]。直接混合回收利用，难以再生制造具有价值的产品。而废塑料经回收分类，根据分类后塑料的材质，可再生应用到具有更高价值的产业领域。

目前，城市废塑料的回收途径主要有三类：生产者自行回收、第三方回收企业回收、社区回收[9]。对于生产者自行回收而言，其回收的对象是塑料生产企业自己加工生产时产生的废弃物、边角料等。生产者可以直接将这些废塑料作为原料，进行二次利用，不仅可降低生产的原料成本，还可以减少运输成本、排放成本，并节约大量资源。对于第三方回收企业，它们的回收对象包括塑料生产企业产生的不想自己处理的废塑料，也包括一些报废品回收拆解企业产生的塑料废弃物等。社区回收，主要的回收对象是人们生活中产生的废塑料，如快递外卖的包装袋、饮料瓶等。这一回收途径需要人们进行生活垃圾分类，也要依靠垃圾回收中转站工作人员进行进一步筛选工作。

1.3 废塑料资源化产业发展现状

废塑料是蕴含大量能量和有机高分子的材料，在资源逐渐枯竭的未来，可作为再生资源被利用。直接将其掩埋或丢弃是一种资源浪费，不符合可持续发展理念。因此，寻找废塑料的高值化利用途径，对社会发展、经济发展、生态保护具有重大意义[10,11]。

自上世纪50年代开始，我国政府就十分重视废塑料资源化这一问题，一直致力于建立完善的资源回收体系。但是，由于回收体系不健全，废塑料成分复杂，再生利用产业基础薄弱，缺乏关键的再生利用处理技术，缺乏高值资源化利用产业，缺乏产业标准，政府扶持力度不够大，技术创新投入不足等原因，我国废塑料的再生利用一直处于较低水平。

因为塑料来自于石油化工，而我国又是石油资源十分匮乏的国家之一，所以每年除了进口大量的石油外，还要从国外进口大量的塑料资源，以满足国内市场需求。如表1塑料进出口数据所示，在2018年之前，我国每年进口大量塑料原料以及废塑料。虽然2018年后，我国政府逐渐意识到“洋垃圾”对环境带来的危害，并颁布“禁废令”严格管控废弃物的进口，废塑料进口量骤降，但是，从塑料进口总量来看，减少的废塑料进口量被填补到塑料原料的进口量上。从出口量分析，近三年，废塑料的出口量在逐渐增加。这主要是因为“禁废令”实施以来，废塑料的回收利用在国内得到足够重视，废塑料回收产业以及再生利用产业开始加速发展，市场投资空前活跃。废塑料回收品质的提高，也得到国外资源再生利用企业的认可，因而出口量逐年增长。

麦肯锡咨询公司曾在一篇研究报告里指出，到2030年全世界的塑料回收率将达到50%，这将带来巨大的商业价值。此外，未来10年，石化和塑料产业的利润增长，三分之二将来自废塑料的回收利用，可达到600亿美元[12]。

2 废塑料资源化高值利用

2.1 废塑料资源化产物应用于基建行业

近年来，废塑料和其他材料混合制造建材广受关注，主要是因为应用废弃的塑料可以大幅度降低建材生产的成本。传统的废塑料回收利用是将其与木料混合，生产板材。而如今随着技术进步，废塑料的应用已经拓展到与各种无机材料、有机材料混合，用于生产具有更高价值的建筑材料、工程材料，不仅降低了建材的生产成本，而且可以加强建材的性能，提高资源回收利用率。

目前，对这种建材的研究有很多，例如：丁小东等[13]利用废弃聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）、水泥、增黏剂等为主要原料，通过正交实验，得到最佳的材料配比方案，生产了复合混凝土保温砌块，具有自重轻、保温性能好、强度高等优点。刘西振等[14]以EPS为基本原料，在过氧化二苯甲酰和N,N-二甲基苯胺的引发条件下，与丙烯酸酯类混合，制成无溶剂的快速固化涂料。通过对这种涂料进行性能分析，得到这种涂料有很好的吸附性能，漆膜的附着力和硬度、耐溶剂性较好。许振广等[15]将EPS应用在建筑楼板中，利用EPS填充钢筋混凝土现浇板，不仅节省大量的混凝土用量，减轻结构自重，并大大提高了楼板的保温隔音性能。通过经济效益分析，EPS填充板具有较大发展前景，并且其产量也在迅速增加。在道路交通领域，废塑料也有广泛应用。废塑料以其优秀的抗震、降噪的性能，在桥梁、铁路工程中逐渐突出了高值化利用价值[16]。青岛枫叶环保公司研发出复合塑料弹性枕木，可降低高速列车运行时产生的噪音，减少轨道枕木的制造成本，并且具有更高的强度。匈牙利科学家利用废塑料合成一种新型合成材料，可以与沥青按比例混合，用于道路铺设。实验表明，与沥青混合后，铺设的道路硬度更强，更耐碾压。

表1 2013-2019年中国塑料原料进口量与废塑料进出口量

废塑料在建材领域的应用，也有许多已实现了商业化、产业化的案例。南京弘创聚合物装备技术有限公司联合行业内其他相关企业，共同开发了每小时产能1．5 t的EPS再生造粒机组。可以将废弃泡沫塑料无害化回收、再生改性为优质材料，最后将其加工成塑料仿木线材和各种相框、画框、镜框、家具等产品，90%被销往国外。目前，他们的这一整套回收再生利用体系已获得20多项实用新型专利，150多项外观专利。美国塑料再生公司利用回收密度较高的HDPE和玻璃纤维废料，通过挤压制造轨道枕木，仅两台挤压机每年就可生产2．5万条轨道枕木，大概可以消耗700 t废塑料。美新塑木型材制品有限公司生产的产品99%都是用饮料瓶等废塑料通过多层共挤技术一次成型制成，通过加热技术将其制成仿真木纹材料，用于家具、地板等装潢建材，九成产品出口国外。2016年该公司产能达1．8万t、销售额达2亿元，并还在以惊人的速度增长。

2.2 废塑料资源化产物应用于能源燃料行业

废塑料被现代经济学家称为“人类第二矿藏”。塑料大多是从天然的石油中提炼出来的高分子聚合物，因此可将其热解气化，制备具有更高价值的燃油、燃气等能源[17]。传统的废塑料转化为能源的举措仅仅是进行垃圾焚烧，利用燃烧热进行发电。但这种方式不环保，且能源转化率低，带来的经济效益不高。将其转化为燃油是其高值化的一个有效途径。

目前，将废塑料转化为高值能源的研究也有很多，例如：Filip等[18]将废弃聚苯乙烯置于400℃下进行高温裂解，并加入火山岩灰作为催化剂，提高转化为苯乙烯单体的效率，最后的液态油生产率能达到90．11%，用气相质谱仪可测得，液态油中苯乙烯含量达55．62%。Lei等[19]以活性炭作为催化剂，将废塑料在高温下进行熔化，转化为航空燃料。他们同时还测试了几种不同的催化剂在不同温度下的转化结果，最好结果是产生85%的航空燃油和15%的柴油混合物，且燃料质量很好。英国斯旺西大学的研究人员[20]通过在废塑料中加入吸收光的材料，在碱性溶液中，暴露于阳光下，从而产生了氢燃料。通过研究，这一方法可以降解各种废塑料，对废塑料分类要求不高。产生的氢燃料可以为氢燃料汽车提供能源，具有重大的研究价值。

目前，将废塑料转化为高值燃料的研究还处于初级阶段，一些转化技术还处于研究理论阶段，实际的产业化应用还有许多技术难点需要去突破。但也有一些成功应用的实例：兰州德华事业公司开发的“废旧塑料油化成套技术及设备”，出油率高达70%～90%，油品较高。产生的废弃物还可以作为工业炭黑进行二次利用，国内多家单位也使用了该技术。我国应用废塑料热分解油化技术的企业还有很多，如表2所示[21]。

2.3 废塑料资源化产物应用于织物、服装产业

废塑料应用于织物、服装产业的发展一直受到多方面因素的制约，比如对回收的废塑料品质要求较高，一般只针对聚酯类瓶（PET瓶），同时也受到人们观念上的排斥等。对废塑料转化成织物、涤纶的相关研究不是很多，但是将废塑料转化为安全的纺织材料、服装产品，利用品牌效应、市场宣传，能够产生更高价值。

表2 我国主要废旧塑料热分解油化企业

将废塑料应用于织物、服装产业的实例也有很多：2010年的南非世界杯，运动品牌耐克公司利用收集的1 300万个废塑料瓶，为其赞助的巴西、荷兰、葡萄牙等9个国家的球队制作了球衣，每件球衣大概由8个废弃的PET瓶制成。2016年，德国运动品牌阿迪达斯公司用废弃的PET瓶为原料，为皇马和拜仁两家足球俱乐部制作了再生秋衣。2019年，阿迪达斯公司的春夏季服装系列产品，有41%的原料来自于再生的废弃PET瓶。运动品牌采用废塑料制作运动服已经成为一种潮流，也成为各大品牌商环保宣传的主题。美国的Polartec公司用100%可回收的REPREVE纱线来制作运动服，产品名为WindPro。每生产一件机车夹克就需要40个废弃PET瓶，可以减少20%能源消耗，并且产品的质量具有四倍的抗风性，良好的防水性、透气性。我国的“再造衣银行”品牌，一直秉持着绿色环保理念，利用各种废塑料制作时尚、环保的服装产品。我国的龙福环能科技股份有限公司建成了世界上唯一一条PET瓶回收、加工、纺织一条龙的循环经济产业链，再生涤纶产品被广泛地应用到装饰布料等行业。2019年新中国成立70周年国庆阅兵仪式上，2．4万m2红地毯是用回收的废旧矿泉水瓶为原料生产而成，具有阻燃、抗污、抗紫外线的功能，共消耗掉40多万个废旧矿泉水瓶，约10 t。

2.4 废塑料资源化产物应用于炼钢行业

炼钢产业是我国最重要的产业之一。但是，近年来受钢铁产能过剩，生产成本增加等因素影响，钢铁产业发展遇到瓶颈，急需通过技术革新来突破这一束缚。将废塑料作为炼钢的原料添加剂，给炼钢产业带来一条新的发展思路。废塑料中含有大量的碳，可以作为一种碳源投入到电弧炼钢炉中，代替焦炭的作用。研究表明，该方法可显著地减少焦炭的使用，减少CO2的排放，同时降低电耗和焦比。例如：杨祝英等[22]将废塑料与冶金焦共混，作为炼钢电炉中的还原剂，使FeO的转化率显著提高。当废塑料的添加量从0增加到40%，反应速度提高了一倍，并且废气中的CO2排放量减少了75%。包向军等[23]将废塑料与含油铁鳞混合，通过加热、烘干、熔融、加压制造出炼钢造渣剂，可加快炼钢炉中的造渣速度，减少石灰用量，降低生产成本，具有良好的经济效益。日本是最早将废塑料应用于炼钢产业的国家之一，他们学习德国的经验，引进高炉喷吹技术，开发废塑料与焦煤混合炼焦技术[24]，大大降低了焦炭使用量，提高了总的能量利用效率，并迅速推广到君津、名古屋、八幡和室兰4个钢铁厂使用。炼钢产业可谓是废塑料消耗的大户，对于钢铁第一生产大国的我国来说，如果实现该技术的大规模应用，废塑料的资源化利用将带来巨大经济价值。

2.5 废塑料资源化产物应用于高科技产业

随着对废塑料的研究进一步深入，人们开始寻找新的高值利用方法。

废塑料成分中由于含有大量的碳，热裂解过程中除了能产生一些高价值的燃油外，也有研究人员发现，裂解过程中，会产生一些碳纳米管。目前对碳纳米管的研究较为热门，其独特的一维中心空管状结构和优异的化学稳定性、电学性能，在晶体管、量子导线、超级电容制造领域，有巨大的应用价值。目前工业制备碳纳米管的碳源主要是高纯碳氢气体和矿物燃料，成本较高，若将废塑料作为碳源，可极大降低生产成本，实现废塑料的高值化。例如，Veksha等[25]利用低密度聚乙烯（LDPE）、PP、PS、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等废塑料，通过催化裂解制备了碳纳米管。实验显示，在800℃条件下，裂解产物为多壁碳纳米管，并且没有积碳量的产生。姚丁丁等[26]，以双金属Ni-Fe为催化剂，将废塑料热解，生产富氢气体和高品质的碳纳米管。通过研究整个热解的反应过程，分析影响碳品质、产率的因素。新加坡环境与水科技创新中心（EWTCOI）以PP、PS等为碳源制造碳纳米管，产出的碳纳米管长度在2～30μm之间，直径约为20～150 nm。这项技术目前已经进行了实体试验，一次可消耗300 kg废塑料。

在3D打印领域，废塑料作为打印材料的研究也得到一些人的关注。3D打印塑料线材对塑料的流动性要求不高，为废塑料提供了应用空间。加拿大的初创公司，研制了一台能够将废塑料转化为3D打印线材的设备“ProtoCycler”。该设备利用智能化电脑控制，实时地反馈挤出线材的直径。在2 h内可制成1 kg的3D打印线材。虽然3D打印技术目前还不成熟，但是，在未来具有巨大的发展前景。利用废塑料作为打印线材，有利于促进技术的进步和3D打印产业的发展。

废塑料用于制造超级电容的相关研究也有很多，zhang等[27]以废弃聚苯乙烯为原料，通过弗里德-克工艺反应制备了一种简便、高效的三维网络结构多孔碳。用该材料制备的PC具有较大的比表面积和三维多孔结构，作为超级电容器的电极材料具有良好的电容性和电化学稳定性。Jiakang Min等[28]人,采用模板法对废旧聚苯乙烯进行直接热解制得多孔碳片。将其用于制造电容器的电极材料，具有成本低、性能好、价值高等特点。

3 总结与展望

废塑料被认为是“人类第二矿藏”，其资源化回收利用的价值和意义不言而喻。寻找高值的资源化途径，将废塑料变废为宝，对国家绿色发展、可持续发展至关重要。提前掌握关键技术，就等于抓住了未来资源的优先开发权。

分析国内外废塑料的高值资源化产业发展现状，有利于进一步了解废塑料在各个产业领域的利用价值，有利于为废塑料高值化利用提供更多选择，也有利于判断未来废塑料资源化利用的方向和趋势。同时，刺激国内废塑料高值资源化产业的发展。尤其是在废塑料转化为燃油和高科技产业方面，要加大技术创新，加大相关研究的投入，以及加快产业化实际应用。从另一方面分析，加快废塑料高值资源化产业发展，也可以促进国内废塑料回收产业以及生活垃圾回收分类产业的发展。