1亿吨塑料怎么办？塑料回收再登《Science》子刊！极具竞争力的回收新策略

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID：Polymer-science)

今天生产的许多塑料包装材料是由不同的聚合物层(即多层膜)组成的复合材料。在食品和医疗用品包装中无处不在，特别是因为多层聚合物可以赋予这些膜特殊的性能，例如耐热性或氧气和水分控制。但是，尽管有其实用性，但使用常规方法仍无法回收那些永远存在的塑料。

最近，美国威斯康星大学George W. Huber教授报道了一种独特的溶剂定向回收和沉淀（STRAP）策略，它使用一系列溶剂洗涤将多层薄膜解构为它们的组成树脂，这些溶剂洗涤由聚合物溶解度的热力学计算指导。证明STRAP工艺能够以接近100％的回收效率从市售多层膜中分离出三种代表性的聚合物（聚乙烯，乙烯-乙烯醇和聚对苯二甲酸乙二酯），从而提供了与相应的原始材料具有成本竞争力的可回收树脂。该论文以“Recycling of multilayer plastic packaging materials by solvent-targeted recovery and precipitation”为题，发表在Science Advances。

计算机为STRAP精确选择溶剂，溶剂选择原理?

成功实施STRAP工艺的关键是能够预选择溶剂系统和温度的能力，该温度和温度能够从多层膜中存在的所有组分中选择性溶解单个聚合物层。鉴于多层薄膜的复杂性，通常由十层以上的薄膜组成以及可用的大量工业溶剂和溶剂混合物，仅通过实验筛选就很难选择溶剂。在这里，设计了一种方法，该方法采用Hansen溶解度参数（HSPs）计算，分子动力学（MD）模拟以及量子化学和统计机械方法相结合的方法来合理选择溶剂，该方法被称为类似于导体的实际溶剂筛选模型（COSMO-RS），如图1所示。

图1  用于指导STRAP工艺选择溶剂的计算工具。  （A）结合使用HSP，经典MD模拟和COSMO-RS计算来选择溶剂的过程。（B）由HSP计算确定的PE-，EVOH-和PET-选择性溶剂和反溶剂（其中没有聚合物可溶）。（C）使用COSMO-RS计算得出的PE，EVOH和PET在纯甲苯（PE选择性）和DMSO（EVOH选择性）中的溶解度与温度的关系。（D）预测的PE（红色曲线）和EVOH（绿色曲线）的溶解度与溶剂-反溶剂质量比。

STRAP工艺用于分离PE，EVOH和PET

为了证明使用上述方案的STRAP工艺，首先尝试分离按重量计由PET：EVOH：PE=7：2：2组成的树脂珠粒的物理混合物。如图2所示，回收了原始聚合物的接近定量的收率（PE的回收率为98.5重量％，EVOH的回收率为95.7重量％，PET的回收率为100.7重量％）。

图2  (A）使用STRAP工艺将Amcor Evolution多层膜解构成其组成树脂的工艺示意图。（B）使用（A）中的STRAP工艺的Evolution膜和回收的树脂的照片。相对于演变膜的初始质量，该过程的质量平衡为100.44wt％，SE为±1.39wt％。图片来源：威斯康星大学麦迪逊分校的西奥多·沃克。（C）使用与（A）中相同的步骤拍摄的由PE：EVOH：PET=7：2：2组成的混合塑料树脂珠和回收的树脂的照片。

STRAP流程的技术经济分析

在必须以与相应的原始树脂价格相当的成本生产再生聚合物的观点出发，根据此处报告的实验数据对STRAP工艺进行了技术经济分析。图3显示了总聚合投资和再生聚合物组分的最低销售价格（MSP）与进料能力的关系。根据估计，当每年的进料量为3000吨Amcor Evolution薄膜时，STRAP工艺可以以1.19美元/千克的MSP价格分离合并的回收树脂的Amcor Evolution薄膜。随着进料速度提高到15,000吨/年，MSP降至$ 0.6 / kg。蒸馏塔和分离溶剂与反溶剂所需的热量是该工艺的主要成本驱动因素，分别占总投资的33.6％和可变经营成本的79.3％。当进料速度为3800吨/年，不到APK在德国的Newcycling工厂中处理量的一半时，回收的聚合物的MSP与纯PET的平均市场价值（$ 1.1 / kg）相比具有竞争力。

图3  使用STRAP工艺从Amcor Evolution多层薄膜得到的组合，回收的PE，EVOH和PET物流的总资本投资和MSP，均与每年Amcor Evolution薄膜吨产能的函数有关（圆圈， MSP；正方形，资本投资）。

总结：综上，证明了STRAP工艺能够有效地将商业PIW膜解构为三种成分树脂，收率接近100％。该方法在聚合物溶解度的计算模型基础上选择的溶剂中使用顺序的增溶步骤。工艺可以将与PE，EVOH和PET组成的多层塑料废物流完全分解为相应的树脂，而成本与相应的原始树脂相似。

编者按：本文转载自微信公众号：高分子科学前沿(ID：Polymer-science)