DOI：10.1016/j.cej.2025.170735

全文概述

塑料廢棄物焚燒、填埋處理存在能源回收率低、碳排放高及有毒副產(chǎn)物等問(wèn)題，嚴(yán)重威脅環(huán)境與健康。本文開(kāi)發(fā)了一種無(wú)需額外催化劑的脈沖焦耳熱技術(shù)，以可回收石墨紙為導(dǎo)電加熱介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)多種塑料廢棄物向高價(jià)值可燃?xì)怏w的升級(jí)轉(zhuǎn)化。通過(guò)調(diào)控電流和脈沖參數(shù)，可靈活調(diào)節(jié)產(chǎn)物分布：低電流、少脈沖數(shù)利于烯烴等單體回收（平均產(chǎn)率超50 wt%），高輸入則強(qiáng)化脫氫反應(yīng)，氫元素回收率可達(dá)99.4±8.7 wt%。該技術(shù)經(jīng)真實(shí)塑料廢棄物驗(yàn)證，若全球范圍內(nèi)替代傳統(tǒng)焚燒發(fā)電，每年可減少66.6%的二氧化碳當(dāng)量排放（約1.9億噸），能源回收率提升4.4倍，氣體資源化帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)收益達(dá)181億美元，為塑料廢棄物可持續(xù)管理提供了可規(guī)?；⒌吞嫉碾婒?qū)動(dòng)解決方案。

本文亮點(diǎn)

（1）技術(shù)創(chuàng)新：使用可回收石墨紙作為加熱介質(zhì)，操作簡(jiǎn)單、可重復(fù)使用。

（2）產(chǎn)物可調(diào)控：低電流下回收烯烴單體（>50 wt%），高電流下生成富氫氣體（氫元素回收率99.4%）。

（3）適用性廣：成功轉(zhuǎn)化聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯等典型塑料及外賣(mài)盒、一次性手套等真實(shí)廢棄物，混合塑料也能高效處理。

（4）三重效益：相較于傳統(tǒng)焚燒，該技術(shù)可減少66.6%CO?排放（年減1.9億噸），能源回收效率提升4.4倍，年經(jīng)濟(jì)效益達(dá)181億美元。兼容可再生能源，具備規(guī)?；c低碳化潛力。

圖文解析

圖1：焦耳加熱裝置設(shè)計(jì)與石墨材料熱性能

圖（a）裝置主要由石墨電極、雙層不銹鋼反應(yīng)室、循環(huán)水冷卻系統(tǒng)及氣相色譜分析儀組成，氮?dú)夥諊聦?shí)現(xiàn)塑料熱解。圖（b）材料對(duì)比顯示，石墨紙（0.05mm 厚）因電阻更高、散熱更少，1秒內(nèi)溫度超1750 ℃，遠(yuǎn)優(yōu)于石墨板（343 ℃）和石墨舟（282 ℃），成為最優(yōu)導(dǎo)電基底。圖（c）時(shí)間-溫度曲線顯示石墨紙升溫最快，1秒內(nèi)可達(dá)1750°C，遠(yuǎn)優(yōu)于其他材料。

圖 2：電流對(duì)PP轉(zhuǎn)化影響

圖（a）溫度-電流關(guān)系顯示，電流從20A增至190A時(shí)，反應(yīng)溫度從約500 ℃線性升至1700 ℃，擬合曲線R2=0.88，線性相關(guān)性強(qiáng)。圖（b）氣體產(chǎn)率與成分結(jié)果顯示，低電流（40-80A）因解聚不完全產(chǎn)率低，中電流（80-110A）產(chǎn)率峰值超50wt%，高電流（>110A）因脫氫結(jié)焦略有下降，氣體產(chǎn)率呈“增-減-增”趨勢(shì)。圖（c）氫轉(zhuǎn)化效率結(jié)果顯示，高電流（190A）下氫元素回收率接近100%。圖（d-h）3D響應(yīng)曲面顯示，中電流利于烯烴回收，高電流促進(jìn)C?H?與H?生成。

圖3：脈沖次數(shù)與電流協(xié)同效應(yīng)

圖（a）紅外熱成像顯示40A、80A、110A、190A電流下，石墨紙熱成像圖顏色隨電流加深（對(duì)應(yīng)溫度升高），且高溫區(qū)域均勻無(wú)局部熱點(diǎn)。圖（b）多脈沖溫度曲線熱穩(wěn)定性顯示說(shuō)明石墨紙?jiān)谥貜?fù)使用中加熱性能穩(wěn)定。圖（c）產(chǎn)物分布顯示，低電流需增加脈沖數(shù)提升分解率，高電流需控制脈沖數(shù)避免結(jié)焦。圖（d）190A時(shí)單脈沖氣體產(chǎn)量達(dá)45 wt%，但10個(gè)脈沖后降至30 wt%，說(shuō)明高電流下過(guò)量脈沖弊大于利。圖（e）氣體組成隨脈沖數(shù)變化：低電流下烯烴增加，高電流下H?與C?H?占主導(dǎo)。圖（f）顯示，隨著電流與脈沖數(shù)增加，氫元素轉(zhuǎn)化效率提升。

圖4：聚丙烯在不同電流下的反應(yīng)路徑

圖（a）聚丙烯800°C下以解聚與β-裂解為主，生成C?H?等。圖（b）聚丙烯在1700°C下進(jìn)一步裂解生成C?H?與H?。

圖 5：焦耳熱對(duì)不同聚合物及真實(shí)塑料廢棄物的處理性能

圖（a）不同聚合物產(chǎn)物分布顯示，PP/PE在中電流下氣體產(chǎn)率最高（50wt%），PS/PET則殘?jiān)?、氣體產(chǎn)量少，僅為12wt%。圖（b）不同聚合物氣體組成顯示，PET以CO/CO?為主，PP/PE以烯烴為主。圖（c-d）真實(shí)廢棄物與純聚合物裂解產(chǎn)物高度一致，驗(yàn)證方法可行性。圖（e）80A條件下，PP/LDPE以丙烯、乙烯為主，PS以苯、乙烯為主；190A（高溫條件）：所有塑料均以氫氣、乙炔（PP/LDPE/PS）或CO（PET）為主。

圖6：全球碳減排與經(jīng)濟(jì)收益評(píng)估

圖（a-b）展示了全球CO?排放分布與區(qū)域減排潛力。圖（c）結(jié)果顯示，焦耳加熱能源回收效率為43.2%，是焚燒發(fā)電的4.4倍。圖（d）各地區(qū)經(jīng)濟(jì)收益估算，全球年收益達(dá)181億美元。綜上，該技術(shù)在全球推廣后具有顯著的環(huán)保與經(jīng)濟(jì)效益。

總結(jié)展望

本研究開(kāi)發(fā)了一種電驅(qū)動(dòng)、無(wú)催化劑的脈沖焦耳加熱技術(shù)，成功將塑料廢棄物轉(zhuǎn)化為高價(jià)值氣體，產(chǎn)物成分可通過(guò)電流與脈沖靈活調(diào)控。該技術(shù)在處理真實(shí)塑料廢棄物時(shí)表現(xiàn)穩(wěn)定，具備高能效、低排放、經(jīng)濟(jì)可行等優(yōu)勢(shì)。未來(lái)需在系統(tǒng)放大、連續(xù)化操作、熱傳遞優(yōu)化等方面進(jìn)一步研究，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。該技術(shù)有望成為塑料循環(huán)經(jīng)濟(jì)中的關(guān)鍵一環(huán)，助力實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)。

通訊作者簡(jiǎn)介

林炳丞，國(guó)科大杭州高等研究院副研究員。2015.09-2020.06，浙江大學(xué)工學(xué)博士；2018.11-2019.10，University of British Columbia聯(lián)合培養(yǎng)博士；2011.09-2015.07浙江大學(xué)工學(xué)學(xué)士。主要研究方向?yàn)椋河袡C(jī)固廢/危廢資源化利用；持久性有機(jī)污染物生成、控制機(jī)理；環(huán)境持久性自由基。承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金等多個(gè)項(xiàng)目，以第一/通訊作者在Chemical Engineering Journal、Journal of Hazardous Materials、Fuel、Fuel processing technology、Proceedings of the Combustion Institute, Journal of Environmental Management等期刊發(fā)表多篇論文。

本文使用的焦耳加熱裝置是由合肥原位科技有限公司研發(fā)，感謝老師支持與認(rèn)可！

焦耳加熱裝置

焦耳加熱裝置是一種新型快速熱處理/合成的設(shè)備，該設(shè)備可使材料在極短（毫秒級(jí)/秒級(jí)）時(shí)間內(nèi)達(dá)到極高的溫度（1000~3000℃），升溫速率最快可達(dá)到10000k/s；通過(guò)對(duì)材料的極速升溫，可考察材料在極端環(huán)境、劇烈熱震情況下的物性改變，可通過(guò)極速升降溫制備納米尺度顆粒，單原子催化劑，高熵合金等。目前廣泛應(yīng)用在電池材料、催化劑、碳材料、陶瓷材料、金屬材料、塑料降解、生物質(zhì)等領(lǐng)域。