第31卷第3期2014年9月上海第二工业大学学报JOURNALOFSHANGHAISECONDPOLYTECHNICUNIVERSITYVol.31No.3Sep.2014

文章编号:1001-4543(2014)03-0193-05

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)

摘要: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。关键词:废旧塑料;再利用技术;再生中图分类号:X783.2文献标志码:A

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5781.8万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1500万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9500万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6500万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

收稿日期:2014-03-22通讯作者: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。基金项目:上海市自然科学基金项目(No.14ZR1416900)资助194上海第二工业大学学报2014年第31卷

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5830万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35mm时,复合材料的拉伸强度为

52.5MPa,冲击强度为52kJ/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,运第3期张雪,张承龙:我国废旧塑料的资源再利用现状与发展趋势195

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