我国废旧塑料的资源再利用现状与发展趋势

张雪,张承龙

(上海第二工业大学城市建设与环境工程学院,上海201209)

我国废旧塑料的资源再利用现状与发展趋势

张雪,张承龙

(上海第二工业大学城市建设与环境工程学院,上海201209)

通过对当前我国废旧塑料资源再利用现状的研究,分析和对比了不同废旧塑料资源再利用方法的工艺和特点,并且对废旧塑料处理的发展趋势做出了预测。

废旧塑料;再利用技术;再生

0 引言

塑料是20世纪以来人类的重大发明之一,随着20世纪中叶塑料工业的兴起,人类进入了塑料时代。由于塑料具有质轻、强度高、化学稳定性能好、电绝缘性能好、良好的防护及透光性能和减震、消音性能等优点,一跃成为家电、电子、汽车、船舶制造、建筑、包装等行业不可缺少的材料。

塑料来源于石油,石油资源是有限且不可再生的,按当前世界石油的储量和产量估算,50年内石油资源将会耗竭。在我国,石油消费50%依赖进口,塑料原料42%依赖进口,因而塑料再生利用成为解决我国石油资源短缺的重大战略问题,并且,来源丰富、价格低廉的再生塑料还可以解决塑料原料紧缺的问题。

随着社会的发展,塑料以其优异的性能不断替代钢铁、木材、皮革、布匹等传统材料,越来越多地用于国民经济的各个领域。按体积计,目前世界塑料材料的消费量已远远超过钢铁。为避免塑料废弃物污染环境,同时提取其中有价值的资源,对废旧塑料进行资源化利用势在必行。

1 废旧塑料概况

我国塑料产量一直位居世界前列,据国家统计局数据显示,2012年,全国塑料制品的产量达5 781.8万t,同比增长8.99%[1]。但是我国对塑料的消费量更为巨大,据估计超出产量的50%,目前我国已经成为全球废塑料进口和消费最多的国家[2]。

2011年我国废旧塑料总量已近2亿t,而回收总量仅为1 500万t,回收率不到10%[3]。据国家环保部统计,2011年,我国仅一次性塑料薄膜与泡沫包装就超过9 500万t,超过塑料产量的60%,预计80%的一次性包装制品将在一年内被废弃。据中国塑料加工工业协会统计,我国每天仅买菜就要使用塑料袋10亿个,每年消耗一次性餐盒150亿个,快速消费品零售全行业每年消耗塑料袋约500亿个[4]。另外,报废家电、汽车塑料高达6 500万t,随着汽车与电子电器产品到了大量报废期,这类废旧塑料的产生量将进一步增加。

2 废旧塑料回收利用技术

由于废旧塑料质量轻、体积大、不易降解等特点,对其进行无害化处理并不容易。目前,废塑料的处理主要有三种方式:焚烧、卫生填埋和再生利用。卫生填埋法是世界各国大量采用的处理方法,建设投资少、运行费用低。但该法占用大量的土地资源,严重阻碍水的渗透和地下水流通,塑料中的添加剂如增塑剂等溶出还会造成二次污染,同时该法浪费了大量可利用的塑料资源。废旧塑料处理的另一主要方法是焚烧回收热能。该法具有成本低、处理数量大、效率高等优点,但废旧塑料在焚烧过程中会产生二噁英、呋喃等有害物质,如果含有镉、铅等重金属化合物,还会随烟尘、焚烧残渣一起排放,污染环境[5]。因此对废旧塑料进行资源化再生利用就显得尤为重要了。其中主要再生利用方法包括:直接利用法、改性法、油化法、气化法、解聚单体化法以及直接做原料或还原剂等方法。

2.1 直接利用法

废旧塑料可以通过简单处理直接再利用,通常要经过分选与分离、破碎、清洗、干燥步骤后再进行热熔、拉丝、冷却、切粒后即制成塑料再生粒。

废旧塑料来源广泛,成分复杂,并且塑料种类繁多,性质差异大,因此在废旧塑料再生利用前应先对其去除杂质并且分成单一品类,以提高塑料再生料的品质。废旧塑料在被造粒之前需要加热干燥,能耗较高。某再生造粒企业统计分析显示,造粒车间用电量可占企业用电总量的97%以上[6]。同时,由于废旧塑料中掺混杂质较多,滤网网孔极易阻塞,需经常更换。

废旧塑料直接利用法简单易行,但是再生料的力学性能下降较大,不宜制作高档次产品。通常该法与改性技术相结合使用,可明显改善再生料的基本力学性能,满足专用制品的质量需求。开发一种全新结构的高分子化合物来满足某种用途的要求有时是不可能的,有时则耗资巨大,而采用改性技术则轻而易举。

2.2 改性法

改性塑料的表观消费量逐年增长,平均年增长率超过15%,2010年我国改性塑料产品的产量已经达到5 830万t。我国改性塑料产品主要集中于家电和汽车行业,这也与近些年我国家电和汽车行业的发展趋势相吻合。

塑料改性一般是指通过机械共混或化学接枝对再生料进行改性,通常是在塑料原料中添加矿物质、弹性体、纤维、阻燃剂等,明显改善塑料的耐热性、抗老化性、耐蠕变性和耐疲劳性等性能。经过改性的再生制品其力学性能得到改善或提高,甚至高于原树脂的性能,可以做档次较高的再生制品。同时,添加矿物质等成本较低的填料可以大幅度降低塑料材料的成本。当前比较热门的词汇“以塑代木”、“以塑代钢”便是对塑料改性技术的描述。

张宁等[7]对聚乙烯(PE)进行改性,研究发现经KH-550偶联剂处理的长玻璃纤维的质量分数为30%、长度为35 mm时,复合材料的拉伸强度为52.5 MPa,冲击强度为52 kJ/m,力学性能有较大改善。

刘亚群等[8]制备出填充量高达80%的滑石粉/PE材料,通过研究发现该材料的降解性得到提高,这就能很好地解决聚乙烯的污染问题。

改性塑料作为年产数千万吨的新兴行业,是我国塑料工业的重要方面军。改性法大幅度降低了合成独特功能新型高分子化合物的成本。同时,在保证使用性能要求的前提下降低了塑料制品的成本,提高了产品技术含量,增加了其附加值。改性法是当前塑料工业研究的热点,是废塑料处理最有发展前景的途径之一。

但至今改性技术仍有其缺陷:①“增重”问题,非金属矿物的密度比合成树脂大很多,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填料表面处理问题,填料颗粒与高分子基体之间的界面非常复杂,填料颗粒表面处理技术及效果还有待进一步研究;③改性利用固然增加了废旧塑料的附加值,但是再生料仍摆脱不了降级使用,并且改性之后塑料的再分离也是问题。

2.3 裂解法

废塑料裂解油化即在高温或催化剂的作用下将废塑料转化为再生油用作燃料或化工原料。在适当的温度、压力和催化剂条件下,废塑料裂变为低分子化合物,利用这一性质可以生产出汽油和柴油。

通常废塑料裂解油化技术分为热裂解法、催化热裂解法、热裂解-催化改质法3种[10]。

热裂解法是最简单的废塑料回收法,即通过提供热能,克服废塑料裂解所需的活化能,使之发生解聚反应生成单体和低分子化合物。该方法投资少,工艺简单,但出油率低,产品杂乱,而且裂解反应温度高,反应时间长,所得的液体燃料中汽油和柴油含量低。催化热裂解法投资较少,工艺较简单,并且反应速率快,产物中异构化、芳构化油品较热裂解多。但是,反应过程中催化剂表面有大量焦炭沉积使其失活,催化剂的再生与回收都较为困难,而且直接影响裂解反应效率的催化剂选取往往也是瓶颈问题。热裂解-催化改质法又称二段法,是将废塑料热裂解后,对裂解气进行催化改质。该方法可克服热裂解法所制得的汽油和柴油含量和品质低的缺点,运行费用低,操作灵活,但投资大,工艺比较复杂。

另外,还有一些裂解方法,如超临界水裂解法、与煤共液化裂解法、与煤焦油共液化裂解法等。

姚致远等[11]对废PE、废聚丙烯(PP)、废聚苯乙烯(PS)等混合塑料进行裂解,采用自制改性ZSM-5型分子筛催化剂,液体油产率高达90%。

国外早在20世纪70年代就开始了废塑料裂解制油的研究并应用于实际生产,至今已有40多年的历史。我国对该技术的研究尚不成熟,目前国内废塑料油化企业均采用热裂解法,所用废塑料可以是单一品种,也可以是混合塑料,但是很多企业生产出的油品质量不高,达不到国家90#汽油和0#柴油的标准,并且生产成本较高,产品不能实现其应有的经济价值,极大地影响了该技术的推广和应用。

2.4 气化法

废塑料气化技术是利用气化介质(空气、氧气或水蒸气)将塑料分解,以获得合成气(CO、H2、CH4等)。这些气体可作为生产其他化工产品(甲醇、合成氨等)的原料,也可作为燃料来发电和供热[12]。

气化法是一种简单可行的回收废塑料的方法,气化产物不仅可用于高效、低污染联合循环电站发电和供热,还可用于制造高附加值的化工产品。废旧塑料不必分类即可用作气化原料,适合用于难分选的废旧塑料,气化的效率也较高。同时,可通过高温气化温度控制等措施抑制二噁英的产生。

王震等[13]采用生命周期分析法对比了废PP气化技术和超临界水降解技术的环境影响,结果表明超临界水降解技术的总环境负荷是气化技术的3.6倍。

2.5 解聚单体化法

因为塑料中含有容易切断的键,所以在受到光、热、氧气或微生物等外部作用下易老化而造成品质下降,但这却为废旧塑料的解聚提供了可能。该法是通过一定的途径使废旧塑料解聚来获得单体或者化工原料,从而使废旧塑料达到再生利用的目的[14]。

对PE、PP、PS等游离基的聚合物可通过热解聚的方法对其单体化,根据热解机理的不同,所需温度、催化剂等热解条件不同,产生的单体和低聚物也不同。废旧塑料热解聚所需温度一般在500～800°C之间,单体回收率在70%～90%之间。

对聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚酰胺(PA)、聚氨基甲酸酯(PU)、聚甲醛(POM)等缩合聚合类塑料的解聚方法大多为化学法,包括醇解法、水解法、氨解法、酯交换法,以及新型的亚-超临界解聚法等。不同种类的塑料因其结构和性质的差异,解聚时需要不同的特定工艺,其中水解法和醇解法用得较多。

为了获得高质量的产物,解聚单体化法对废塑料的纯度要求较高,要求废塑料为单一品种,分选、分离工作要做得彻底。

2.6 替代还原剂或化学原料的方法

在炼钢工业的高炉炼铁过程中,废塑料可以作为还原剂代替焦炭[15]。在炼钢高炉中吹入粉碎的废塑料,废塑料在高温下裂化生成CO与H2等还原性气体,使铁矿石还原为铁。该法投资小、成本低,可直接利用已有的设备,而且可对混合塑料进行处理。同时,废塑料在炼钢温度下可以充分燃烧并最终生成二氧化碳和水,避免产生有害气体。但是,高炉喷吹技术要求塑料被加工成一定的粒度,增加了成本。

炼焦厂的炼焦过程中,可将废塑料代替煤作为原料。废塑料在炼焦炉中不发生燃烧而发生热分解,生成焦炭、焦油、轻油、汽油和气体等。在炼焦过程中加入脱氯、去杂质的废塑料和煤炭,比只加入煤炭时的焦油产率有所提高。此法可用于处理混合塑料,并且利用率非常高。同时,通过对该法进行生命周期评价,节约资源的同时可有效降低二氧化碳的排放。

在烧制水泥的过程中,可将废旧塑料作为燃料替代化石燃料。将脱氯的废塑料加入水泥窑,为烧制水泥的过程提供热量。该法不仅节约了化石燃料,而且废塑料在燃烧过程中产生的酸性燃气可以替代生产水泥所需的中和剂。该法是近几年才发展起来的,良好的经济性使其得到较广泛的工业应用。

3 废旧塑料回收与再生利用的发展趋势

目前,对废旧塑料回收与再生利用方法的研究和推广越来越趋向于污染小、效率高、易操作、经济效益好的技术和工艺。

(1)对废旧塑料资源化处置方式的多样化使得比较和分析不同再利用方法显得格外重要。选择合理的处理方法可使其对环境污染最小化、资源回收利用效率最大化,同时具有良好的经济效益、环境效益和社会效益。

①直接利用法应用广泛并且工艺成熟,但是只能再生单一品种的塑料,制成品力学性能下降较大,不宜制作档次较高的制品。而改性再生法在该法的基础上对废塑料改性再利用,产品性能得到提高,可获得良好的经济效益,值得广泛应用和推广。

②裂解油化技术可处理混合塑料制品,但是很多企业生产出的油品质量差,达不到相关标准,并且生产成本高,产品不能实现其应有的经济价值。另外,催化剂的选择也制约了油化法的发展。

③气化技术可处理混合塑料制品,并且气化效率较高,同时可抑制二噁英的产生。

④解聚单体化技术对废塑料的纯度要求高,增加了分离的成本,同时需要在溶液中反应,消耗大量的试剂并且会有后续的污水需要处理,大规模工业应用不适用于所有的塑料品类。

⑤废旧塑料在炼钢、炼铁、水泥制造等过程中替代还原剂或化学原料的应用技术,投资小、成本低,而且可以对混合塑料进行处理,避免产生有害气体,可有效降低二氧化碳的排放,具有良好的经济效益和环境效益,应该大力鼓励和推广。

(2)废旧塑料再生利用的创新工艺及其配套设备是制约其发展的关键因素。研究并发展相关的工艺及其设备是未来发展的重要方向之一。如何尽快把新的科技研究成果转化为生产力、在实际中应用,同样是未来应该努力的方向之一[16]。

(3)最好的废塑料再利用方法不是单一的方法,要综合利用多种方法才能达到最好的效果。因为不同的方法适用不同的废塑料,各有其优缺点。例如:对于比较容易分选的塑料适用直接再生法或单体化法,而对于分选比较困难的混合塑料则适用油化气化或者替代还原剂、化学原料的方法。

4 结语

废旧塑料的资源性和污染性并存,通过对其资源化再利用,消除其环境污染性并作为资源加以回收利用,是刻不容缓的事。从循环经济的角度来看,除了回收再利用这种最有效的方式之外,废塑料的源头减量、绿色设计以及废弃时自觉分类等均是解决废旧塑料问题的重要途径。因此,在废旧塑料的处理技术中,减小废旧塑料的环境污染性,减少资源浪费,延长其使用寿命,实现其资源循环再生,化害为利、变废为宝,保护环境,实现人与自然和谐发展,具有重要的意义。

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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

张承龙(1975–),男,江苏昆山人,副教授,博士,主要研究方向为固体废物资源化。电子邮箱clzhang@sspu.edu.cn。

上海市自然科学基金项目(No.14ZR1416900)资助