中国科大傅尧/邓晋《自然·通讯》：废弃聚酯的乙酸解聚提质再生及其生命周期评估研究

随着人们生活质量的不断提高，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的消费量日益激增，是目前全球消费量最大的塑料之一，接近7000万吨。PET因其优异的性能而被广泛应用于各个领域，包括制造涤纶纺织品、PET瓶为主的包装材料和PET薄膜等。PET塑料为人类生活带来了极大的便利，但也面临着消耗总量大、回收困难等问题。同时大部分的塑料在使用后通常被埋入地下或者直接丢弃在大自然中，这不仅会造成严重的环境污染还可能会释放出危害人体健康的微塑料。

在PET制品中，纯度要求和工艺要求最高的是饮料瓶，其次是涤纶纺织品，最次的是PET填充物。通过目前成熟的PET回收方法可以实现“废弃饮料瓶到涤纶纺织品”的降级回收。但由于工艺技术和生产成本的限制，目前在工业上很难实现“废弃饮料瓶到新饮料瓶”和“废弃涤纶纺织品到新纺织品”的循环回收以及“废弃涤纶纺织品到新饮料瓶”的升级回收。

目前，废弃PET主要采用物理法进行回收，但会导致材料的结构和性能恶化，只能生产出低价值的产品，实现降级回收。与物理回收相比，PET可以通过化学方法转化为单体用于聚合或其他更有价值的产品。常用的回收废弃PET的化学方法有甲醇解、乙二醇解（Glycolysis）、水解等。但甲醇解或乙二醇解得到的单体或低聚物难以分离纯化，这使得上述方法对废旧PET的来源高度敏感。此外，酸水解和碱水解都使用强酸或强碱作为溶剂，会对设备造成严重的腐蚀，并在后处理阶段产生大量废弃物。由于现有化学回收方法无法在合理的经济成本条件下应对低品质的PET废料，深色的PET塑料和聚酯纤维在工业上被认为是“不可回收的”，无法重新制成高质量的PET材料进行升级回收。因此，开发一种经济高效、绿色环保的方法来实现废旧PET的升级再利用具有重要的现实意义。

近日，中国科学技术大学的傅尧教授和邓晋副研究员联合荷兰Utrecht大学Li Shen教授报道了一种通过乙酸化学解聚实现废弃PET升级回收的方案。研究人员首先利用乙酸对废弃PET塑料进行解聚，生成对苯二甲酸（TPA）和乙二醇二乙酸酯（EGDA），而乙酸正是目前工业上生产对苯二甲酸的溶剂。随后通过对解聚过程的观察发现，PET的乙酸化学解聚不同于传统的酸水解，PET在有机酸中的解聚经历了一个熔融-溶解-析出的过程（图1a）。PET塑料在有机酸中迅速熔化，形成分散均匀的乳液，再解聚成低聚物；最后，完全溶解的低聚物进一步解聚形成对苯二甲酸（TPA），并从体系中结晶析出，而颜料和染料等添加剂则继续溶解在有机酸中，保证了产品的纯度。通过乙酸解聚方案，实现了白色/无色PET塑料、深色/黑色PET塑料、涤纶布料和PET填料、以及PET混纺纤维等各种废弃PET材料直接到高纯度对苯二甲酸的高效回收（图1b和1c）。

图1 废弃PET的乙酸化学解聚（a）反应过程（b）PET塑料解聚（c）PET布料解聚

为实现闭环循环，研究人员提出了将EGDA水解生产乙二醇（EG）或者直接与TPA聚合生成PET的方案。在此基础上，研究人员提出了“废弃PET乙酸解聚-聚合再生”闭环循环的技术方案（图2），并结合ASPEN工程模拟，联合Li Shen教授对该过程进行了生命周期评估（LCA）。LCA结果表明（图3），与从化石资源制备PET聚酯的工艺相比，该工艺的不可再生能源能源消耗（NREU）和全球变暖潜力（GWP）分别可降低70%和40%以上，是目前所有PET化学回收方法中，对环境影响最低的。与此同时，当原材料为目前难以处理的废弃涤纶纺织品时，通过“乙酸解聚-聚合再生”的闭环循环工艺的NREU和GWP也是低于从化石路线制备PET聚酯的。

图2 通过乙酸化学解聚实现废弃PET闭环循环的示意图。

图3 通过乙酸化学解聚实现废弃PET闭环循环的LCA结果。（a）不同途径回收废弃PET瓶的NREU和GWP的比较。EU：欧洲，CN：中国，JP：日本。（b）通过乙酸化学解聚实现废弃PET瓶闭环循环的LCA结果对NREU和GWP的贡献分析。（c）通过乙酸化学解聚实现废弃PET纺织品闭环循环的LCA结果对NREU和GWP的贡献分析。

总之，该研究为实现废弃PET塑料和废弃涤纶布料的闭环循环提供了一种工业化成本更低、经济吸引力强、处理过程更加绿色低碳、对原料来源耐受性更广的新方法。相关成果以“Acetolysis of waste polyethylene terephthalate for upcycling and life-cycle assessment study”为题发表在《自然·通讯》上。论文第一作者为硕士研究生彭远桃，通讯作者为傅尧教授、邓晋副研究员和Li Shen教授。

论文第一作者彭远桃硕士依托该工作，以《中科塑源-废弃塑料的终结者》项目，在第八届安徽省“互联网+”大学生创新创业大赛中荣获高教主赛道金奖、第十届“挑战杯·华安证券”安徽省大学生创业计划竞赛中荣获金奖，并在第十三届“挑战杯”全国大学生创业计划竞赛中荣获铜奖。

该工作受到国家自然科学基金项目和中央高校基本科研业务费专项资金支持。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！