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)物等問題，嚴重威脅環(huán)境與健康。本文開發(fā)了一種無需額外催化劑的脈沖焦耳熱技術，以可回收石墨紙為導電加熱介質，實現(xiàn)多種塑料廢棄物向高價值可燃氣體的升級轉化。通過調控電流和脈沖參數(shù)，可靈活調節(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%），高輸入則強化脫氫反應，氫元素回收率可達99.4±8.7 wt%。該技術經(jīng)真實塑料廢棄物驗證，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，氣體資源化帶來的經(jīng)濟收益達181億美元，為塑料廢棄物可持續(xù)管理提供了可規(guī)模化、低碳的電驅動解決方案。

本文亮點

（1）技術創(chuàng)新：使用可回收石墨紙作為加熱介質，操作簡單、可重復使用。

（2）產(chǎn)物可調控：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：成功轉化聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯等典型塑料及外賣盒、一次性手套等真實廢棄物，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)濟效益達181億美元。兼容可再生能源，具備規(guī)模化與低碳化潛力。

圖文解析

圖1：焦耳加熱裝置設計與石墨材料熱性能

圖（a）裝置主要由石墨電極、雙層不銹鋼反應室、循環(huán)水冷卻系統(tǒng)及氣相色譜分析儀組成，氮氣氛圍下實現(xiàn)塑料熱解。圖（b）材料對比顯示，石墨紙（0.05mm 厚）因電阻更高、散熱更少，1秒內(nèi)溫度超1750 ℃，遠優(yōu)于石墨板（343 ℃）和石墨舟（282 ℃），成為最優(yōu)導電基底。圖（c）時間-溫度曲線顯示石墨紙升溫最快，1秒內(nèi)可達1750°C，遠優(yōu)于其他材料。

圖 2：電流對PP轉化影響

圖（a）溫度-電流關系顯示，電流從20A增至190A時，反應溫度從約500 ℃線性升至1700 ℃，擬合曲線R2=0.88，線性相關性強。圖（b）氣體產(chǎn)率與成分結果顯示，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）因脫氫結焦略有下降，氣體產(chǎn)率呈“增-減-增”趨勢。圖（c）氫轉化效率結果顯示，高電流（190A）下氫元素回收率接近100%。圖（d-h）3D響應曲面顯示，中電流利于烯烴回收，高電流促進C?H?與H?生成。

圖3：脈沖次數(shù)與電流協(xié)同效應

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（對應溫度升高），且高溫區(qū)域均勻無局部熱點。圖（b）多脈沖溫度曲線熱穩(wěn)定性顯示說明石墨紙在重復使用中加熱性能穩(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)避免結焦。圖（d）190A時單脈沖氣體產(chǎn)量達45 wt%，但10個脈沖后降至30 wt%，說明高電流下過量脈沖弊大于利。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。圖（f）顯示，隨著電流與脈沖數(shù)增加，氫元素轉化效率提升。

圖4：聚丙烯在不同電流下的反應路徑

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下進一步裂解生成C?H?與H?。

圖 5：焦耳熱對不同聚合物及真實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則殘渣多、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）真實廢棄物與純聚合物裂解產(chǎn)物高度一致，驗證方法可行性。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)濟收益評估

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)濟收益估算，全球年收益達181億美元。綜上，該技術在全球推廣后具有顯著的環(huán)保與經(jīng)濟效益。

總結展望

本研究開發(fā)了一種電驅動、無催化劑的脈沖焦耳加熱技術，成功將塑料廢棄物轉化為高價值氣體，產(chǎn)物成分可通過電流與脈沖靈活調控。該技術在處理真實塑料廢棄物時表現(xiàn)穩(wěn)定，具備高能效、低排放、經(jīng)濟可行等優(yōu)勢。未來需在系統(tǒng)放大、連續(xù)化操作、熱傳遞優(yōu)化等方面進一步研究，以實現(xiàn)工業(yè)化應用。該技術有望成為塑料循環(huán)經(jīng)濟中的關鍵一環(huán)，助力實現(xiàn)“碳中和”目標。

通訊作者簡介

林炳丞，國科大杭州高等研究院副研究員。2015.09-2020.06，浙江大學工學博士；2018.11-2019.10，University of British Columbia聯(lián)合培養(yǎng)博士；2011.09-2015.07浙江大學工學學士。主要研究方向為：有機固廢/危廢資源化利用；持久性有機污染物生成、控制機理；環(huán)境持久性自由基。承擔國家自然科學基金、浙江省自然科學基金等多個項目，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/合成的設備，該設備可使材料在極短（毫秒級/秒級）時間內(nèi)達到極高的溫度（1000~3000℃），升溫速率最快可達到10000k/s；通過對材料的極速升溫，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、生物質等領域。