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Nature：革命性塑料回收技术问世！

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-02-05 08:00

正文

全球塑料回收现状令人沮丧。目前每年产生的塑料垃圾中仅有10-15%被回收利用，其余则通过焚烧、填埋或随意丢弃。这一困境的核心在于：大量塑料垃圾是混杂着食物残渣、油墨和标签的肮脏混合物。要将这些混合物清洗分选成单一聚合物构成的洁净塑料（传统"机械回收"所需原料）成本高昂——机械回收即通过粉碎、熔融再造粒生产再生塑料。

这解释了为何英国东北部即将投产的化学回收工厂备受关注。该设施理论上可处理所有类型塑料（包括传统"不可回收"的混合塑料），将其分解为类似原油提取物的化学组分，经再加工后可重新合成原生级塑料。若成功运营，将开创塑料循环制造新模式，减少对化石原料的依赖。

技术路线对比：

传统热解法（Pyrolysis）：

· 全球约50座工厂（主要分布于欧美），年处理能力26.6万吨

· 需450℃以上高温无氧环境

· 约20%碳转化为无用炭渣，效率低下

革命性新技术——水热液化（Hydrothermal Liquefaction）：

· 伦敦Mura科技公司（下称Mura）开发，全球首个商业规模工厂

· 采用超临界水（400℃/220个大气压），这意味着水处于超临界状态——它可以表现得像液体和气体，溶解油性聚合物分子并将它们切成碎片

· 污染物留存水相，避免炭渣生成

· 声称较热解法减排80%

伦敦Mura科技公司表示，这是全球首个采用此方法进行商业规模塑料回收的工厂。其成功至关重要——若实现盈利运营，将推动全球范围内更多同类工厂的兴建。

若这听起来像是塑料回收的万能药，请三思。实际上，正如Mura解释的，该工厂目前对塑料废物原料仍有严格筛选要求——必须经过与机械回收类似的粉碎和分拣流程。且与热解工厂类似，并非所有产出物都能再生为塑料，因此有批评者认为该工艺不应被归类为回收——Mura对此指控予以否认。

这些现实问题引发了对塑料污染治理前景的质疑：化学回收能否兑现其承诺的潜力？该理念并非完全失败——但实际操作中的复杂性使其革命性不如宣传所言。

塑料星球

塑料污染是日益严重的全球问题。现有回收技术已难以应对当前废物量，经合组织（OECD）预计到2060年塑料废物年产量将突破10亿吨。

机械回收是最常见的处理方式。尽管该工艺所得材料强度通常略逊于原生塑料，但对某些纯塑料流（如饮料瓶中的聚对苯二甲酸乙二醇酯PET）效果良好。

但其他类型塑料废物更具挑战性。以柔性包装和薄膜类为例（包括购物袋、气泡膜和零食包装袋等），这些通常由各类聚乙烯和聚丙烯（聚烯烃类聚合物）制成，占消费后塑料废物的三分之二。

这些材料可能是多种塑料的复合体——回收噩梦。分离混合塑料极为困难，即便回收成功也往往只能获得适用于垃圾袋制造的低质材料，经济回报低导致回收商不愿接收此类废物流。

这解释了为何约40%塑料废物被填埋，25%用于焚烧发电，15%被随意丢弃。也部分说明了化学回收热潮的兴起。许多研究者、企业和政策制定者认为该方法能从棘手塑料废物中提取更多价值，从而提升回收动力。

据英国剑桥市场情报公司IDTechEx数据，当前主流化学回收方法涉及解聚聚合物链以回收化学单体，可通过溶剂或酶实现（统称"解聚"）。但这些昂贵工艺仅对少数已分拣塑料实现商业化应用。

IDTechEx预测，到今年年底，更粗暴的热解法将超越解聚法。热解不分解为单体，而是产出类似原油的烃类混合物（热解油）。其中部分组分经石化加工生成乙烯和丙烯等塑料原料单体（聚烯烃最常见单体）。

据IDTechEx统计，全球约50座热解工厂（主要位于欧美）年处理能力合计约26.6万吨，仅占这些地区塑料废物总量的极小部分。但预计今年底将有更多热解设施投产。

热解法存在多重问题：首先，部分热解油被制成燃料或其他化学品而非新塑料，因此该部分无助于减少新塑料产量。布鲁塞尔环保组织"零废物欧洲"（ZWE）等批评者认为这应称为"化学回收"而非真正塑料回收。

其次，该工艺效率低下：输入塑料中高达20%的碳转化为无用烟灰，部分以CO₂形式流失，热解油还可能含有需后续处理的污染物。

再者，尽管号称能处理多种混合塑料，实际热解工厂仅接收相对清洁的聚烯烃类废物。IDTechEx技术分析师James Kennedy指出，此类废物产出的热解油更易融入现有石化流程实现商业价值。其他塑料（如PET）虽可热解，但会引入需后续去除的氧原子；更脏的废物则产出更脏热解油。加州大学伯克利分校可持续性研究员Corinne Scown表示，为避免清洁成本，热解工厂仍需采用与机械回收类似的预处理步骤。因此，该方式制塑成本高于机械回收和化石油制原生塑料。

更优化学回收？

这正是Mura技术的切入点。该工艺称为水热液化，但Mura不锈钢反应器的秘密武器不仅是热水——在400°C和220个大气压下，水处于超临界态（兼具液态和气态特性），可溶解油性聚合物分子并将其分解。"表面看很有前景，业界充满期待。我参加的多个会议都在热议此技术。"Kennedy表示。

与热解类似，水热液化通过热能断裂聚合物链的碳-碳键，产生带有未配对电子（自由基）的分子碎片。热解过程中，这些高活性自由基如食人鱼群般相互撕咬成更小碎片。但在Mura工艺中，熔融聚合物通过超临界水更均匀分散，提升传热效率，确保碳自由基从周围水分子夺取氢原子形成稳定烃类，避免烟灰生成。

超临界流体已广泛应用于制药提纯、咖啡脱因等工业领域。其他公司正用水热液化技术将生物质转化为燃料并回收棉-聚酯混纺面料。但Mura表示这是超临界水首次应用于商业规模废塑处理。虽然众多研究者正在探索超临界流体分解各类聚合物，Mura目前尚无太多竞争对手。

Mura称其工艺产出类似热解油，但CO₂排放更低、效率更高、对污染物耐受性稍强。Scown认为："若该工艺对污染耐受性更强，将更具优势。"

黑色黄金

Mura技术酝酿已久，源自悉尼大学化学家Thomas Maschmeyer的构想。1990年代在代尔夫特理工大学时，某公司咨询其超临界流体处理市政废物的建议。虽未成功，但概念深植其心。

多年后在澳洲，他与化学家Len Humphreys设计出用超临界水处理木屑等生物质废物的反应器，创立Licella公司开发"催化水热反应器"（Cat-HTR）技术。除超临界水外，Cat-HTR可利用催化剂去除木质素中的氧原子，产出油状物。Licella与加拿大林业公司Canfor合作，刚在乔治王子城建成将林业废物转化为航空燃料的设施。

2016年，Licella投资者Steve Mahon建议用废塑料测试反应器。无催化剂条件下工艺依然奏效，Mahon与Licella遂成立Mura公司将该技术商业化（水热塑料回收技术Hydro-PRT）。现任Mura CEO的Mahon表示，自初期试验以来工艺已大幅改进，研发资金主要来自陶氏化学等石化巨头和美国工程公司KBR。"将实验室构想转化为工业流程，我们已投入近2亿美元和七八年时间。"他说。

与耗时数小时的热解不同，Mura反应器约30分钟即可将一批塑料转化为目标烃类混合物。降压后，这些烃类与水分离并分馏为四种产物：石脑油、两种"瓦斯油"和"重质残油"。与热解不同，塑料中的污染物存留于水中，使反应器可处理更脏废物而不污染产物。

重质残油可用作沥青添加剂。石脑油和分馏瓦斯油输送至陶氏化学，经蒸汽裂解装置转化为乙烯等新聚合物原料。剩余产物送往芬兰炼油商Neste工厂进一步精炼。

与热解类似，ZWE等批评者指出部分产物未再生为塑料。即便输往陶氏的蒸汽裂解石脑油，在与化石石脑油混合后才用于新塑料生产。Scown指出，再生石脑油供应量相比石化厂处理量微乎其微，混合使用在现有精炼流程中不可避免。

ZWE化学回收政策官员Lauriane Veillard表示："表面看我们在推进循环经济，实则维系原生塑料使用。"Mura反驳ZWE关于"化学回收"定义的质疑，称该术语涵盖将废物分解为原料（不仅用于新塑料）的工艺。

尽管Hydro-PRT可处理几乎所有塑料，实际原料将限于能产出客户所需烃类的废物。"我们专注于聚烯烃，因其能为蒸汽裂解提供最优产品。"Mahon说。这也意味着Mura将采用与热解和机械回收相似的粉碎分拣步骤预处理原料。

该公司坚称仅处理机械回收拒收、本应焚烧或填埋的塑料废物。英国法律要求地方政府自2027年4月起收集居民区塑料薄膜和软包装进行回收，此类废物将大量供应该设施。

环境之问

这对环境有益吗？英国华威大学WMG可持续性研究员Stuart Coles受英国创新署资助，完成Mura工艺独立生命周期分析（LCA）。

研究发现每处理1吨废塑，Hydro-PRT排放略低于0.5吨CO₂。主要来自分拣耗电和部分电加热，随着英国电网清洁化排放将降低。

该排放量远低于焚烧发电（每吨塑料约2.3吨CO₂），不到化石油炼制原生石脑油排放量的一半。但Hydro-PRT的CO₂排放仅略低于其他研究估算的热解工厂，实际还稍高于机械回收。

Coles总结道："核心结论是：能机械回收则优先机械回收；无法机械回收时选择最适化学回收方式。"Scown指出若政府加大收集分拣投入，机械回收量可大幅提升。"这能最大限度发挥机械回收潜力（仍是温室气体最低选项）。"她说。

Kennedy认为机械回收仍有巨大升级空间，正在研发的技术（如通过添加剂增加再生聚合物链长）可提升再生塑料质量。"这将拓展机械回收适用范围，限制化学回收应用空间。"他说。

陶氏化学称Mura工艺将"减少对原生化石原料的依赖"。但这未必降低塑料生产的原油总消耗量，因塑料产量持续攀升。

Coles表示："我期待更多回收技术应用能降低石化原料需求。但现实是：自始至终，石化基塑料产量逐年递增。除非建立材料循环体系，否则趋势不会逆转。"

Mura英国工厂年处理约2.3万吨废物，类似Hydro-PRT工厂拟在德、美、新、日、韩建设（部分授权三菱和LG化学运营）。Mahon称英国工厂将成为关键技术试验场，指导未来工厂发展。

但IDTechEx认为化学回收仍属小众领域，预计到2034年各类化学回收年处理量将超1700万吨——虽较当前大幅增长，仍仅占庞大塑料废物的个位数百分比。

监管与争议

Kennedy指出，驱动热解和Hydro-PRT等化学回收投资的根本动力是法规。例如欧盟指令要求2030年所有塑料瓶含30%再生材料；另一法规要求接触敏感包装（食品和化妆品容器）2030年含10%再生材料（2040年或提至25%）。英国也对再生材料不足30%的塑料包装征税。

Neste化学回收技术商业化负责人Outi Teräs表示："包装再生材料最低含量要求将推动化学回收需求，因极少塑料能通过机械回收达到所需品质。"

但"再生材料"的定义已成争议焦点。例如，若某炼油工艺混合50%化石油和50%废塑原料，业内通常采用"比例分配法"认定所有产品含50%再生材料。

但部分化工企业采用"自由分配法"调节再生材料比例——理论上高价值产品可标注100%再生材料，低价值产品则标0%。ZWE和美国塑料公约等环保组织指斥此为欺诈。非盈利媒体ProPublica去年调查披露，多家制造商借此虚标包装再生材料含量。

英国政府2024年10月裁定禁止自由分配法，要求Mura等回收商采用更严格的"燃料豁免质量平衡法"——废塑制燃料不计入再生材料，其分子份额不可重新分配。Veillard称欧盟正考虑相同方式。

Veillard承认水热液化优于焚烧填埋："我们严厉批评化学回收，但从未全盘否定。它有其作用——但绝对不应是首选方案。"Mahon表示英国定义方式符合Mura理念："我们致力于最大限度循环利用，让几乎所有分子都用于新产品而非燃料。"

未来数年，批评者与支持者都将密切关注英国工厂——看其是接近这一宏伟目标，还是沦为塑料回收未竟理想长列中的新成员。

来源：高分子科学前沿

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