催化热解混合塑料废物转化为液体燃料的性能评估与发动机应用研究

　　本研究针对加德满都谷地塑料污染难题，创新采用本地膨润土催化热解技术，将LDPE/HDPE/PET混合塑料转化为液体燃料。实验证明催化条件使产油率提升至358±2.65 ml/kg，反应时间缩短至30分钟。20%油品与汽油混合燃料在摩托车实测中实现19.64±1.55 km/L里程，扭矩达1.37 Nm，为发展中国家废塑能源化提供实践范本。

　　

随着全球塑料年产量的指数级增长，预计到2050年将突破5亿吨，废弃塑料的处置已成为严峻的环境挑战。尤其在城市化的加德满都谷地，每日产生523.8吨固体废物中塑料占比12%，传统填埋方式不仅占用土地资源，更导致微塑料通过水体循环进入人体血液与母乳。尽管回收利用被广泛倡导，但历史数据显示仅有9%的塑料得到真正回收，凸显了开发新型处理技术的紧迫性。

在此背景下，热解技术展现出将塑料废物转化为能源产品的潜力。该技术通过在无氧环境中加热塑料至300–500°C，可将其分解为液体燃料、固体残渣和气体。然而，现有研究多局限于实验室规模（通常使用5–200克样品），且缺乏真实发动机测试数据。更关键的是，混合塑料中聚乙烯 terephthalate (PET) 的高含量（40%）因其芳香环结构难以热解，显著降低产油率。针对这些痛点，由Anish Pandey、Tek Narayan Bhattarai、Narayan Prasad Adhikari、Shree Raj Shakya和Shukra Raj Paudel组成的研究团队在《Revista Espa?ola de Medicina Nuclear e Imagen Molecular (English Edition)》发表了创新性研究，他们设计中型热解系统，采用本地易得的膨润土催化剂，系统评估了工艺参数对产油率的影响，并首次在真实摩托车发动机上测试了燃料性能。

研究团队通过加德满都回收企业收集混合塑料样本（20% LDPE、40% HDPE、40% PET），经清洗破碎后进入自主设计的400mm×600mm中型反应器。采用液化石油气加热，在250–450°C温度区间进行催化/非催化对比实验，催化剂为当地采购的膨润土粉末（10–20 g/kg）。油品特性委托尼泊尔石油公司中央实验室按ASTM标准检测密度、粘度、闪点和十六烷值。发动机测试使用12年车龄本田摩托车，通过后轮转速反推发动机扭矩与功率，并实测不同掺混比（20%/40% pyrolysis oil与汽油混合）的里程与发动机温度。

3.1 废物塑料表征与热解反应器操作

塑料样本经表征确认组成为20% LDPE、40% HDPE与40% PET。实验发现温度与催化剂共同影响产油率：无催化剂时450°C产油338±7.64 ml，添加10 g/kg膨润土后提升至351±7.64 ml，20 g/kg时达最高358±2.65 ml。更重要的是催化剂使反应时间从90分钟缩短至30分钟。

3.3 统计分析结果

Pearson相关性分析证实温度与催化剂负载量均与产油率呈正相关（R²=0.88–0.99）。双因素方差分析显示温度对产油率的影响（η²=0.927）显著大于催化剂比例（η²=0.060），说明热解过程中热力学因素占主导地位。

3.4 液体油的实验室测试

油品密度（816.6 kg/m3）、粘度（1.95 CSt）和闪点（53°C）均符合印度汽柴油标准，但十六烷值仅43.8，低于常规燃料，表明点火特性需进一步改善。

3.5 汽油机性能分析

20%油品掺混燃料在3000 rpm时扭矩达1.89 Nm（功率0.59 kW），接近纯汽油的2.33 Nm/0.73 kW，而40%掺混比例性能显著下降（1.37 Nm/0.43 kW），证明低比例掺混更具实用性。

3.6 发动机运行热分析

40%掺混燃料使发动机温度升至110°C（3000 rpm），显著高于纯汽油的93°C，表明不完全燃烧导致热负荷增加。

3.7 里程效率分析

20%掺混燃料里程为19.64±1.55 km/L，较纯汽油（34.69±2.35 km/L）下降43%，主要归因于热解油较低的热值。

研究结论强调，尽管PET组分限制产油率且未活化膨润土的催化效率有限，但该技术仍成功将反应时间缩减67%，证明中型热解系统的可行性。发动机测试证实20%掺混比例可维持基本性能，为后续精炼工艺提供基准。重要的是，该研究首次在发展中国家现实条件下完成从废塑收集、催化热解到发动机验证的全流程示范，突破实验室尺度局限。讨论部分指出未来需重点优化催化剂活性、建立惰性气氛防止泄漏，并通过加氢精制提升十六烷值。同时需开展排放检测与生命周期评价（LCA），尤其关注PET热解可能产生的多环芳烃(PAHs)等有害物质。这项研究为资源受限地区提供低成本废塑处理方案，对推动循环经济发展具有重要实践意义。