全球塑料廢棄物年棄3.6億噸，傳統回收面臨嚴峻挑戰

隨著全球化進程加速和商品生產交換持續增長，廢棄物管理在過去一個世紀經歷了深刻變革。盡管20世紀60至70年代環境意識的提升推動了主要環保機構的成立和國際協議的簽署，但垃圾填埋和焚燒仍然是全球主流的廢棄物處理方式。目前，全球每年約有3.6億噸塑料廢棄物被丟棄，而塑料的全球回收率僅為9.5%，這一數字幾乎完全依賴機械回收實現。然而，機械回收在處理復雜廢棄物時面臨顯著局限：塑料廢棄物往往包含多種聚合物化學組成、多材料產品結構、各類添加劑以及外部污染物，這種復雜性導致回收材料質量下降、加工性能變差，通常只能實現“降級回收”。因此，開發能夠從復雜廢棄物中選擇性回收特定聚合物的技術成為推動塑料循環經濟的關鍵。

面對這一挑戰，西班牙巴斯克大學Haritz Sardón課題組系統評估了溶劑法和解聚法兩種選擇性回收技術的發展前景。該綜述指出，溶劑法回收和解聚技術能夠在化學和成分異質性極強的塑料廢棄物中，實現特定聚合物的選擇性提取或轉化為高價值單體，展現出超越傳統機械回收和熱化學回收的巨大潛力。盡管這些技術尚不如機械回收成熟，但它們為應對復雜、多組分、受污染的塑料廢棄物提供了可行的技術路徑。相關論文以“Towards selective recycling technologies for complex plastic waste”為題，發表在Nature Reviews Materials上。

四種回收技術的選擇性對比

文章通過圖示對比了四種塑料回收技術的工作機制與選擇性差異。機械回收和熱化學回收在面對含有添加劑和污染物（圖中以星形標記表示）的異質性廢棄物時，選擇性較低，難以有效分離不同聚合物組分。相比之下，溶劑法回收和解聚法能夠從多元基質中更精確地鎖定目標聚合物——前者以聚合物鏈形式提取，后者則將其分解為單體或低聚物。圖中還展示了不同類型廢棄物（包括包裝、紡織品、電子電器廢棄物以及工程材料）中典型的聚合物組成，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚酰胺（PA）、聚氨酯（PU）、聚碳酸酯（PC）以及丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）等，凸顯了不同應用場景下廢棄物成分的高度異質性。

圖1 | 復雜塑料廢物回收的策略與挑戰。 a，塑料廢物回收技術包括機械回收、熱化學回收、溶劑法回收和解聚。當應用于含有添加劑和污染物（以星號表示）的異質廢物流時，不同方法具有不同程度的選揮性。b，混合塑料廢物流是復雜的，不同應用領域的產品典型組成各異。ABS，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物；BPA-PC，雙酚A型聚碳酸酯；FRP，纖維增強聚合物；PA，聚酰胺；PE，聚乙烯；PET，聚對苯二甲酸乙二醇酯；PLA，聚乳酸；PP，聚丙烯；PS，聚苯乙烯；PU，聚氨酯；PVC，聚氯乙烯；WEEE，廢棄電子電器設備。

塑料包裝廢棄物的組成與選擇性回收策略

包裝是塑料廢棄物的主要來源之一，圖中呈現了2018年美國城市固體廢棄物中塑料占12.2%的數據，以及2019年全球塑料包裝廢棄物中各聚合物的占比情況。針對包裝廢棄物的復雜性，研究者開發了多種選擇性回收方法。其中，利用1,5,7-三氮雜雙環[4.4.0]癸-5-烯（TBD）和叔丁醇鉀的有機催化解聚體系，可在100°C條件下、15分鐘內將含鋁或染料的PET廢棄物轉化為對苯二甲酸雙羥乙酯（BHET），產率超過90%。對于飲料紙基復合包裝（含PE、粘合劑、紙張和PA），研究者提出了一種溶解與解聚相結合的分步工藝。此外，針對含添加劑的聚苯乙烯泡沫包裝，光氧化降解方法利用FeCl?作為光催化劑，通過氫攫取和氧氣氧化使聚合物主鏈均裂，將其轉化為含苯甲酰基的小分子產物。這些案例展示了從簡單瓶體到多層復合材料的不同包裝廢棄物處理路徑。

圖2 | 塑料包裝的組成與選擇性回收策略。 a，塑料是城市固體廢物的顯著組成部分，占2018年美國產生的2.924億噸城市固體廢物的12.2%。數據來源：參考文獻33。b，2019年全球塑料包裝廢物中不同聚合物的估計百分比（橙色柱）以及每種聚合物在總計1.42億噸塑料包裝廢物中的相應數量（藍線）。數據來源：參考文獻34的估算。c，使用1,5,7-三氮雜雙環[4.4.0]癸-5-烯和叔丁醇鉀，對聚對苯二甲酸乙二醇酯與鋁或聚乙烯的混合物進行選擇性有機催化解聚，對苯二甲酸雙(2-羥乙基)酯產率>90%。d，一種結合解聚和選擇性溶解的方法，用于回收含有聚乙烯、粘合劑、紙張和聚酰胺的飲料紙盒。e，含添加劑泡沫包裝中聚苯乙烯的光氧化降解方法。HDPE，高密度聚乙烯；LDPE，低密度聚乙烯；PP，聚丙烯；PVC，聚氯乙烯；THF，四氫呋喃。

紡織廢棄物的組成與選擇性回收策略

紡織品回收是另一重要應用領域。圖中數據顯示，2024年全球纖維總產量達到1.32億噸，其中聚酯占50%，棉占25%。針對紡織品的復雜性，研究者開發了多種選擇性溶解和解聚方法。例如，利用二甲基甲酰胺（DMF）可選擇性地從與PA 6的共混物中溶解PU纖維。酶法解聚也展現出良好的應用前景：先使用蛋白酶將羊毛分解為氨基酸，再使用纖維素酶將棉分解為葡萄糖，而PET纖維在此過程中保持完整。更為綜合的策略是將解聚與溶解相結合，處理含PET、棉、PA 6和氨綸的復雜混紡織物：使用氧化鋅催化劑進行微波輔助解聚，PET轉化為BHET，氨綸共解聚生成含二苯甲烷的分子（包括4,4'-二氨基二苯甲烷），棉和PA 6隨后通過選擇性溶解分離。技術經濟分析表明，這一工藝在處理難回收的紡織廢棄物時具有經濟可行性。

圖3 | 紡織品廢物的組成與選擇性回收策略。 a，2024年全球纖維總產量為1.32億噸。數據來源：參考文獻76。b，從與聚酰胺6的混合物中選擇性溶解聚氨酯纖維的方法，使用二甲基甲酰胺作為溶劑。c，羊毛和棉與聚對苯二甲酸乙二醇酯共混物中的順序酶解法聚。d，一種結合解聚和溶解的方法，用于選擇性回收含有聚對苯二甲酸乙二醇酯、棉、聚酰胺6和氨綸纖維的混合物。BHET，對苯二甲酸雙(2-羥乙基)酯；MDA，4,4'-亞甲基二苯胺。

電子電器廢棄物中聚合物的選擇性回收

廢棄電子電器設備含有多種聚合物，其中PC、ABS和PS是最常見的類型。圖中展示了利用溶解-沉淀法回收計算機外殼中ABS和PC的工藝流程：使用二氯甲烷作為溶劑、甲醇作為反溶劑，在50°C至100°C的溫和條件下，可以從含33%聚合物組分的廢棄物中獲得超過90%的回收率。對于手機廢棄物中的PA和PC共混物，同樣可采用溶解法實現分離。針對廢舊印刷電路板的回收，微波輔助有機溶脹技術可在180-200°C的高溫下加速溴化環氧樹脂的溶解，實現貴金屬與樹脂基材的高效分離。與機械回收相比，這些溶劑法技術避免了粉塵和飛灰的產生，但二氯甲烷、DMF和N-甲基吡咯烷酮等溶劑的使用仍面臨環境和健康風險，推動綠色溶劑的替代成為后續研發的重要方向。

圖4 | 廢棄電子電器設備的選擇性回收策略。 a，通過溶解和選擇性沉淀從含有33%聚合物組分的電腦外殼廢物中回收丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和雙酚A型聚碳酸酯。b，從手機廢物混合物中通過溶解和選擇性沉淀回收聚酰胺和聚碳酸酯。c，通過微波輔助有機溶脹在高溫下實現廢印刷電路板的脫層，使溴化環氧樹脂溶脹，實現貴金屬與環氧樹脂的分離。DCM，二氯甲烷；NMP，N-甲基吡咯烷酮。

工程材料中塑料的選擇性回收策略

工程材料常用于長壽命產品，其回收難度更大。圖中展示了溶劑法回收碳纖維增強聚合物的工藝：利用CreaSolv配方溶解PA 6、PU或環氧樹脂基體，可在160°C至260°C的不同溫度下實現聚合物基體的完全溶解，回收的碳纖維保留了原始纖維72%至86%的拉伸強度。針對聚氯乙烯多層泡罩包裝廢棄物，使用離子液體三己基（十四烷基）膦己酸鹽進行脫氯處理，可在160-250°C（遠低于傳統400°C）的溫和條件下實現PVC的脫氯，同時高效分離PA、鋁和脫氯后的碳質產物。對于汽車工業中含炭黑的PET與PC共混物，研究者使用TBD與甲磺酸等摩爾混合形成的質子型離子液體作為催化劑，在130°C下優先解聚PC回收雙酚A，隨后在180°C下解聚PET，實現了復雜混合物的分步高值化利用。

圖5 | 耐用應用中塑料的選擇性回收策略。 a，從與聚酰胺6的混合物中通過溶解和沉淀回收碳纖維增強聚合物。b，使用離子液體三己基(十四烷基)膦己酸酯對多層泡罩包裝廢物中的聚氯乙烯進行脫氯，實現了聚酰胺、鋁和脫氯聚氯乙烯的有效分離。c，從與聚對苯二甲酸乙二醇酯（含炭黑，用于汽車工業）的混合物中選擇性解聚雙酚A型聚碳酸酯：使用由1,5,7-三氮雜雙環[4.4.0]癸-5-烯與甲磺酸1:1混合物形成的質子型離子液體作為催化劑，在三羥甲基丙烷烯丙基醚二醇存在下，獲得增值碳酸酯、雙酚A和未反應材料。

圖6 | 塑料在不同應用中的使用壽命。 根據塑料的使用壽命對主要應用領域進行分類。

展望：面向循環經濟的未來路徑

解決全球塑料廢棄物危機需要向循環塑料經濟轉型，而選擇性回收技術的開發是從復雜混合廢棄物中回收高純聚合物的關鍵。綜述指出，未來研究必須立足于真實塑料廢棄物的復雜組成，包括添加劑、填料、多層結構和共混物等。值得注意的是，在許多選擇性回收路線中，下游分離與純化環節的能耗、成本和工業可行性挑戰往往高于解聚或溶解步驟本身。因此，回收技術的開發應以全流程評價為指導，涵蓋物料和能量平衡、溶劑和試劑消耗、分離純化步驟以及環境影響評估。數字工具的整合為循環塑料經濟轉型提供了新維度——人工智能和機器學習的應用有望從先進分選技術、實時工藝優化到預測建模和市場預測等多個層面革新塑料回收方式。與此同時，“安全可持續設計”原則的貫徹至關重要：聚合物和產品從設計之初就應面向循環性，兼顧從資源提取到廢棄物轉化為新產品的完整價值鏈。然而，循環經濟的設計必須因地制宜，根據不同應用場景中塑料的使用壽命差異制定差異化的回收策略。只有結合技術創新、政策協調和環境評估，才能實現真正高效、可持續的塑料循環經濟。