处理聚酯废物的战略方法：通过共热解PET和PBAT来控制产品特性及炭的石墨化过程

《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》：A Strategic Approach to Treat Polyester Waste: Co-pyrolysis of PET and PBAT for Controlling Product Characteristics and Char Graphitization

　　共热解PET/PBAT塑料混合物研究，发现500-800℃下产物分布：500℃时焦炭（25%）和液体（22.4%）产率最高，800℃气体产率达18%。热解温度影响焦炭结构，700-800℃时形成高催化活性石墨化碳材料，且相间作用使热解起始温度介于PET（约472℃）与PBAT（约160℃）之间。该技术为同时处理两类聚酯废弃物提供新方案，提升碳材料质量用于催化领域。

　　

李善浩|李汉松|宋恩镐|安秉民|李哲灿

韩国水原市成均馆大学全球智慧城市系，邮编16419

摘要

本研究旨在探讨聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）与聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）共热解的行为，以提出一种同时处理混合难降解/可降解聚酯废物的方法。PET和PBAT的共热解在500–800°C下进行。在500°C时，炭和液态热解产物的产率最高（分别为25%和22.4%），而气态热解产物的产率在800°C时最高（18%）。在共热解条件下，炭的产率比单独热解PBAT时高出33%。PET/PBAT混合物生成的炭的结构变化取决于热解温度。随着温度的升高，I_D/G比值的减小以及二维结构的出现，表明炭逐渐石墨化。在≥700°C时，PBAT衍生物中的含氧基团（C–O、C=O）以及C–C或C=C键被去除。在较高温度下，微孔和中孔结构更为明显。这些炭，尤其是700–800°C下形成的炭，在催化应用和作为高价值碳材料方面具有潜力。实验结果有助于开发能够减少复杂难降解/可降解塑料混合物体积并从中生产高质量碳材料的工艺。

引言

聚酯是一类由多个重复单体单元通过酯键连接而成的合成聚合物。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）是典型的聚酯，具有多种性能和实际应用。由于其轻质、高强度、透明性和阻气性，PET被用于制造各种产品，如饮料和食品包装、电缆、薄膜和纺织品[1]。PBAT是一种可降解塑料，是化石基聚酯的有希望的替代品，有助于解决全球塑料污染问题[2]。预计PET的全球市场规模将从2024年的529亿美元增长到2032年的1906亿美元，复合年增长率（CAGR）为9.5%[3]；而PBAT的全球市场规模将从2024年的1.987亿美元增长到2032年的3.765亿美元，CAGR为8.3%[4]。PET和PBAT市场的显著增长也导致了大量消费后废料和工艺废料的产生。然而，目前美国PET瓶的回收率仅为约24%，且十年以来一直停滞不前[5]。尽管PBAT被归类为可降解塑料，但在水环境中它无法完全降解[6]。此外，尽管PET和PBAT都属于聚酯，但由于它们的化学性质不同，不能一起处理。当这两种塑料同时存在于回收流中时，最终回收产品的质量会下降[7]。因此，迫切需要开发一种能够同时处理难降解和可降解塑料废物的工艺。

热解是一种有吸引力的有机和塑料废物处理方法，可以在惰性气氛下回收能量、资源和材料[8]、[9]、[10]。共热解过程使用两种或更多种物质作为原料——通常一种是化石基废物，另一种是生物基废物[11]。与单一热解相比，共热解过程具有优势，可以提高热解油的性能（例如，提高热值和产率，降低水分含量）[12]。例如，高密度聚乙烯（HDPE）和松木锯末的共热解在450–550°C下进行[13]，产生的热解油质量更好（含氧量更低，碳含量更高），且产率也更高。通过共热解HDPE和松木锯末，汽油等价烃的选择性提高，从而提高了热解油的热值。[14]的研究报道了将一次性口罩与食物废物共热解的情况。共热解产生了更多的H₂和更少的烃类，提高了热解气体的产率。[15]的研究通过共热解废弃物和木材来提高热解物的热值。单独热解木材产生的热解气体热值为9.25 MJ/m³，而共热解产生的热解气体热值为10.75 MJ/m³，这归因于烷烃和烯烃的含量较高。表1总结了共热解非生物基和生物基物质的诸多优势。

尽管许多研究展示了非生物基和生物基原料共热解的优势（表1），但目前尚无关于难降解和可降解聚酯（如PET和PBAT）共热解的研究。随着对塑料热解研究的不断深入，本研究的目的是探讨难降解PET废物（废弃PET瓶）与可降解PBAT废物（PBAT地膜）共热解的潜在益处。作为对比，也进行了单一原料（PET或PBAT）的热解实验。本研究范围包括对PET和PBAT废物性质的比较分析，突出了共热解在提高热解物质量方面的协同效应。这包括对气体、液体和固体热解物的全面表征和测定。特别是，本研究重点关注了温度对炭的结构变化和石墨化的影响。不同性质聚酯的共热解为将聚酯废物转化为有价值的资源提供了一种可持续的方法。

部分内容摘录

原料

PET瓶从韩国水原市成均馆大学自然科学校园的回收点收集，切成1厘米见方的块（图S1a）。PBAT地膜从韩国首尔的Farm Hannong购买，热解前先进行切割和卷曲（图S1b）。

为了研究PET和PBAT原料的热化学降解模式，使用了一个多枪热解器与先进气体分析系统（型号：py-3030D；Frontier Laboratories，日本福岛）结合使用

原料特性

近似分析和元素分析结果分别见表S4和S5。PET主要由挥发性物质组成（93.4%），固定碳含量为1%，无机物含量为5.6%。PBAT也含有大量挥发性物质（71%），但其固定碳含量（15.4%）和无机物含量（13.6%）高于PET。PET的C、H和O含量分别为66%、6%和22.4%；PBAT的相应含量分别为65%、7%和14.4%。图1对此进行了比较

结论

在本研究中，我们通过实验验证了一种将PET和PBAT混合物共热解为可用物质（如能源和碳材料）的工艺，以实现不同聚酯废物的同时升级。PET/PBAT混合物的热分解温度约为472°C，低于PET的热分解温度但高于PBAT的热分解温度。这是由于两者熔点不同导致的相相互作用。

CRediT作者贡献声明

李汉松：撰写初稿、验证、实验研究。李善浩：撰写初稿、数据可视化、实验研究。安秉民：撰写、审稿与编辑、验证、监督、资金获取。宋恩镐：数据可视化、实验研究。李哲灿：撰写、审稿与编辑、撰写初稿、监督、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（由韩国政府科学信息通信部资助；项目编号RS-2025-02253004）。该研究还得到了教育部资助的“全球学习与学术研究机构硕士和博士研究生及博士后（LAMP）计划”（项目编号RS-2023-00285390）的支持。我们感谢Ahn先生的帮助，他在热解实验中提供了宝贵支持。