Design, Construction and Performance Evaluation of a Low-Cost Pilot-Scale Semi-Batch Pyrolysis Plant for Converting Polystyrene and Low-Density Polyethylene Waste into Fuel Oil
本研究证明了通过一种低成本、本地制造的试点规模半连续式热解装置将聚苯乙烯和低密度聚乙烯废弃物转化为燃料油的技术可行性，报告了具体的运行参数、产率差异及燃料特性，并指出了工艺改进的关键领域。
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每年，人类产生的塑料高达数亿吨。虽然其中一部分进入了回收流，但大量塑料最终进入了填埋场或散落在环境中，在那里可以存在数百年之久。处理这种废弃物的一个极具前景的方法是将其转化为燃料。这种被称为热解的过程涉及在无氧的密封容器中加热塑料。由于没有氧气进行燃烧，塑料不会变成烟雾和灰烬；相反，它会分解成液态烃类，可以用作燃料油，同时还会产生一些气体和固体残留物。尽管科学家们多年来一直在实验室的小规模环境下研究这一领域，但制造一台价格足够低廉、适合发展中地区使用，并能使用真实的、肮脏的街道垃圾进行测试的机器，仍然是一个重大挑战。
在最近的一项研究中，来自尼日利亚和芬兰的一个研究小组致力于建造这样一台机器，并观察其性能如何。他们设计并建造了一套能够一次处理35公斤塑料的试点规模工厂。整个系统由当地采购的材料建成，包括用于主烹饪锅的镀锌钢、用粘土和沙子混合物衬里的熔炉（以保持热量），以及由不锈钢管制成的冷凝器（用于将蒸汽冷却回液体）。研究人员测试了两种截然不同的街道塑料垃圾：聚苯乙烯（用于食品容器的硬质泡沫）和低密度聚乙烯（用于购物袋的柔性塑料）。他们没有对塑料进行清洗或化学清洁；他们直接使用了收集到的原始状态下的塑料，包括标签、油墨和污垢，以观察现实世界的情况将如何影响结果。
当他们加热聚苯乙烯时，结果显示出惊人的效率。机器将塑料重量的72%转化为了液态油，且过程没有留下任何固体残留物。这是因为聚苯乙烯在受热时倾向于“解链”回其原始构建单元，几乎完全转化为可以被捕获为液体的蒸汽。然而，研究小组注意到，有很大一部分物质（约28%）以气体或细微雾状形式逃逸，导致冷凝器无法捕捉。这表明冷凝系统无法应对聚苯乙烯转化为蒸汽的速度。生产出的油质地粘稠且颜色较深，密度高于标准柴油，其闪点为50摄氏度，仅略低于商业柴油的安全下限。
处理用于购物袋的柔性塑料（即低密度聚乙烯）的体验则大不相同。这种塑料更难分解。研究人员必须加热更长时间并消耗更多能量才能使其分解。在这次运行中，机器产生的油相对于投入的塑料量而言较少——仅为56.9%——并且留下了800克重的显著固体蜡状残留物。这些残留物表明，并非所有的塑料链都已完全断裂。然而，这种塑料产生的油相对较轻，在硫含量方面也较为干净，尽管其硫含量仍高于纯净柴油。研究人员计算出，分解聚乙烯所需的热能大约是聚苯乙烯的2.5倍，这反映了购物袋中长链分支结构的更高热稳定性。
当研究人员分析油中的硫含量时，出现了一个关键发现。聚苯乙烯产生的油含有惊人的高硫含量，远高于塑料本身应有的水平。由于聚 {苯} 乙烯聚合物本身不含硫，研究人员将这种污染归因于未清洗的街道垃圾，其中包括粘合标签、印刷油墨以及粘在塑料上的其他物质。这凸显了一个主要障碍：如果塑料在处理前不经过分类和清洗，生成的燃料就会受到污染，并需要进一步处理。聚乙烯产生的油也有升高的硫含量，但水平较低，可能来自于塑料内部的添加剂或混合其中的废弃物。
该研究得出结论，即使使用简单的材料和未经分类的原料，建造一座将塑料废弃物转化为燃料的低成本工厂在技术上也是可行的。该机器成功生产出了符合柴油发动机粘度要求的液态燃料，这意味着它可以在燃油管路中正常流动。然而，研究人员也指出了明显的改进领域。冷凝器（负责冷却蒸汽的部分）需要更大或更高效，以捕捉快速移动的气体。反应器本身由镀锌钢制成，不适合在高温下长期使用，因为锌涂层可能会熔化并释放出烟雾；未来的版本应使用不锈钢或碳钢。此外，高硫水平证实了在机器处理之前对塑料进行分类和清洗对于生产高质量燃料是至关重要的。这项工作证明，虽然该技术是有效的，但最终燃料的质量在很大程度上取决于废弃物的准备程度以及机器处理不同化学成分塑料的能力。
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