塑料包裝廢棄物的回收利用

范煒亮 王克儉

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院成型制造研究中心）

1. 包裝廢棄物的產(chǎn)生和危害

包裝容器在完成或失去其保持內(nèi)裝物原有價(jià)值和使用價(jià)值的功能后，它將成為固體廢棄物，加入到垃圾的行列。包裝廢棄物已對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，影響到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)并威脅到人類(lèi)健康和動(dòng)植物的生存[1]。我國(guó)塑料制品產(chǎn)量近十年經(jīng)歷了高速增長(zhǎng)期，2008 年至2017 年期間，我國(guó)塑料制品產(chǎn)量保持高速增長(zhǎng)，2008 年塑料制品產(chǎn)量?jī)H為3,713.82 萬(wàn)噸，到2017 年達(dá)到7,515.54萬(wàn)噸，同年全世界的塑料制品產(chǎn)量為34,800 萬(wàn)噸，其中大約30%的塑料用于包裝，這些塑料包裝材料和容器經(jīng)一次性使用后，大部分成了固體廢棄物。塑料包裝廢棄物的重量輕、體積大、數(shù)量多，難以降解，又不能隨意焚化，大多被丟棄在鐵路邊、內(nèi)河水域和城鎮(zhèn)大街小巷，日積月累便成了觸目驚心的“白色污染”帶[2]。塑料包裝制品中含有聚氯乙烯、丙烯晴等有害物質(zhì)，在燃燒時(shí)產(chǎn)生的HCl 會(huì)導(dǎo)致酸雨；生產(chǎn)泡沫用到的氟利昂和氟氯碳化合物會(huì)破壞大氣中的臭氧層，加劇溫室效應(yīng)；塑料垃圾的長(zhǎng)期堆放不僅會(huì)造成視覺(jué)污染，還為蚊蠅、細(xì)菌、鼠類(lèi)提供了繁殖場(chǎng)所；塑料垃圾釋放多種有毒氣體，若不及時(shí)治理，會(huì)形成大范圍的毒氣源；填埋處理的塑料垃圾會(huì)污染土壤，使農(nóng)作物減產(chǎn)，讓大面積的土地失去使用價(jià)值；塑料包裝廢棄物危害環(huán)境，進(jìn)而危害人的生命健康，多種癌癥的誘發(fā)都與污染物、化學(xué)污染等環(huán)境因素密切相關(guān)，環(huán)境的惡化也令多種動(dòng)植物瀕臨滅絕。

隨著塑料包裝廢棄物的日益增加，我們必須采用正確、科學(xué)的方法將其綜合治理并進(jìn)行回收利用，這樣可以減少對(duì)環(huán)境的污染，維持生態(tài)平衡，同時(shí)還能節(jié)約大量的資源和能量。

2. 塑料包裝廢棄物的處理方法

塑料材料在包裝廢棄物中占據(jù)很大比重，因此塑料包裝廢棄物的回收處理和再生利用是解決環(huán)境污染的重要途經(jīng)。塑料的可回收利用率很高，再生塑料也比再生紙的能耗低，不能再生的塑料還可處理為無(wú)害的液體。目前，對(duì)塑料包裝廢棄物的處理方法基本可分為三種，即：填埋、焚燒和回收再生利用。

2.1 填埋

廢舊塑料的大分子結(jié)構(gòu)使其在廢棄后長(zhǎng)期不易腐爛，暴露在空間中，易隨風(fēng)飛動(dòng)或漂浮在水面上，造成環(huán)境污染。因此，人們常利用丘陵凹地或自然形成的凹坑建設(shè)填埋場(chǎng)。廢棄塑料填埋方法簡(jiǎn)單、成本低、不需復(fù)雜的儀器設(shè)備，是最快的處理方式。但填埋不能使廢塑料資源化利用，而且人們產(chǎn)生塑料廢棄物的能力遠(yuǎn)大于填埋場(chǎng)的處理能力，長(zhǎng)此以往會(huì)找不到新的填埋場(chǎng)所，填埋塑料后的土壤也會(huì)受到不同程度的污染，因此填埋不是一種好的處理方式，不符合可持續(xù)發(fā)展原則。

2.2 焚燒

焚燒法是將不能再次利用的混合塑料在焚燒爐中焚化，過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱量可被充分利用。焚燒爐的投資成本昂貴，適合于發(fā)達(dá)國(guó)家中塑料垃圾比例較大的大型、中型城市。廢棄塑料經(jīng)焚燒后，其體積減少90%，質(zhì)量減輕80%，其熱值為83 kJ/kg，接近于燃料油，焚燒剩余的部分易分解。

然而，塑料焚燒過(guò)程種還產(chǎn)生大量有害氣體，會(huì)危害環(huán)境和人的健康。廢塑料焚燒過(guò)程的主產(chǎn)物是二氧化碳和水，但不同品種的塑料在不同焚燒條件下也會(huì)產(chǎn)生多環(huán)芳香烴化合物、一氧化碳等有害物質(zhì)。例如PVC 會(huì)產(chǎn)生HCl，聚丙烯氰會(huì)產(chǎn)生HCN，聚氨醋會(huì)產(chǎn)生氰化物等。另外，在廢塑料中還含有鎘、鉛等重金屬化合物．在焚燒過(guò)程中，這些重金屬化合物會(huì)隨煙塵和焚燒殘?jiān)黄鹋欧?，污染環(huán)境[3]。因此，必須建立對(duì)有害氣體的處理設(shè)施，防止其進(jìn)入大氣層以避免形成溫室效應(yīng)和酸雨。焚燒法由于其昂貴的成本和有限的適用范圍，也不是塑料廢棄物處理的最佳方式。

高爐噴吹技術(shù)是一種將廢塑料作為原料，制成適宜粒度后噴入高爐，取代焦炭或煤粉的新方法，是一種進(jìn)化的焚燒利用技術(shù)。國(guó)外對(duì)高爐噴吹技術(shù)的應(yīng)用探索表明，該方法雖然會(huì)在生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生有害氣體，但其排放量?jī)H為焚燒法的0.1%-1%，對(duì)環(huán)境的污染已大幅降低，且廢塑料在高爐中的熱利用率能達(dá)到80%。該技術(shù)的難點(diǎn)在于對(duì)廢塑料的加工處理，廢塑料在噴入高爐前必須加工成具有一定粒度的粒狀物料。在加工時(shí)，包裝塑料中的固體塑料和薄膜塑料因具有不同的形狀難以共同處理，最好分開(kāi)加工。

在加工處理問(wèn)題方面，國(guó)外學(xué)者已經(jīng)找到一些解決的途徑。在中國(guó)，大部分高爐仍采用噴吹煤粉技術(shù)，然而國(guó)內(nèi)煤粉存在灰分較高、噴吹效益差、煤資源短缺等問(wèn)題，發(fā)展高爐噴吹廢塑料技術(shù)是一種合理的解決方案。我國(guó)應(yīng)致力于尋找出更加經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的制粒和噴吹方法。

2.3 回收再生利用

大型的塑料包裝容器從垃圾堆中分揀后，經(jīng)過(guò)清洗、消毒可直接回收利用；塑料包裝廢棄物的再生利用主要指熔融再生和造型等?；厥赵偕玫姆椒ㄖ饕◤U塑料的再生技術(shù)、熱處理油化技術(shù)、加工成衍生燃料（RDF）焚燒能源化利用技術(shù)以及一些其他的化學(xué)處理技術(shù)。目前回收利用技術(shù)已經(jīng)初步成熟，在國(guó)家提出固體廢棄物向減量化、資源化、無(wú)害化處理的政策下，包裝廢棄物的回收利用不僅可行，還能促進(jìn)包裝工業(yè)的發(fā)展[4]。目前，中國(guó)對(duì)廢塑料的回收利用尚未普及，回收利用率僅20%左右，其余仍采用填埋、焚燒的處理方法。而日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家廢塑料的回收利用率已達(dá)70%，塑料再生利用是解決國(guó)家資源短缺問(wèn)題的重要手段，在中國(guó)，廢塑料回收加工有龐大、穩(wěn)定的市場(chǎng)，行業(yè)的前景較好。下面對(duì)幾種回收利用的方法及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行介紹。

2.3.1 直接再生利用

廢塑料的直接利用是指將其經(jīng)過(guò)清洗、破碎、塑化、直接加工成型或與其他物質(zhì)經(jīng)簡(jiǎn)單加工制成有用制品。清洗廢塑料通常用水，受污染嚴(yán)重的則使用洗滌劑或溶劑，清洗過(guò)程需進(jìn)行大規(guī)模排水處理，為避免經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和環(huán)境負(fù)荷，應(yīng)采用封閉系統(tǒng)。粉碎塑料時(shí)使用回收利用專(zhuān)用的特殊粉碎裝置，如：纖維增強(qiáng)塑料 微粉碎機(jī)、空氣渦流粒子碰撞粉碎機(jī)、防止材料與設(shè)備摩擦發(fā)熱的氣流粉碎機(jī)等。此外還開(kāi)發(fā)了處理薄膜的兼有洗凈與粉碎功能的水中粉碎技術(shù)[5]。分類(lèi)、洗凈、粉碎等良好的前處理工作有助于廢塑料的再次加工成型。直接再生利用技術(shù)在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛，其制品已被應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、漁業(yè)和日用品等多個(gè)領(lǐng)域。

這種方式的優(yōu)點(diǎn)是成本低廉、工藝簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是再生料制品的力學(xué)性能大幅下降，不宜制作高檔次制品。

2.3.2 改性再生利用

改性再生利用技術(shù)可提高再生料的基本力學(xué)性能，以滿足一些專(zhuān)用制品在質(zhì)量上的需要。塑料包裝廢棄物的改性技術(shù)有很多，常見(jiàn)的有共混改性、增強(qiáng)改性、填充改性、增韌改性、接枝改性、熱裂解和催化裂解等，大體上可分為物理改性和化學(xué)改性兩類(lèi)。

物理改性通過(guò)機(jī)械混煉設(shè)備將塑料升溫至軟化點(diǎn)以上進(jìn)行熔融混合，制備出多相態(tài)、多組分的共混物合金和復(fù)合材料[6]。其中共混改性是將一種或多種樹(shù)脂添加到另外一種樹(shù)脂中以改變其性能的改性方法，摻入的樹(shù)脂是一些高分子物質(zhì)，相容性較好，添加后對(duì)原樹(shù)脂的其它性能無(wú)顯著影響。填充改性與共混改性類(lèi)似，不同的是在樹(shù)脂中添加小分子物質(zhì)，相容性較差，對(duì)樹(shù)脂性能影響較大。增韌改性則是用于提升再生塑料力學(xué)性能的一種方式，可通過(guò)添加彈性體、剛性粒子、共混熱塑彈性體等物質(zhì)實(shí)現(xiàn)。纖維增強(qiáng)改性被應(yīng)用于高分子復(fù)合材料領(lǐng)域中，使通用樹(shù)脂向結(jié)構(gòu)材料和工程塑料轉(zhuǎn)變，回收的熱塑性塑料經(jīng)過(guò)纖維增強(qiáng)改性后在抗熱性、強(qiáng)度、模量、抗疲勞性方面的性能均有提高，與此同時(shí)材料的脆性增大這種方法的應(yīng)用前景很好，是塑料回收利用的新途徑。

化學(xué)改性則通過(guò)使用化學(xué)手段（如接枝、共聚等方法）在分子鏈中加入其他鏈結(jié)和功能基團(tuán)。交聯(lián)劑、成核劑、發(fā)泡劑等化學(xué)制品對(duì)廢塑料改性時(shí)可提高耐熱性、抗沖擊性和抗老化性，為再利用做準(zhǔn)備。

原位反應(yīng)擠出工藝將物理、化學(xué)改性與成型制造結(jié)合在一起，在縮短改性周期的同時(shí)實(shí)現(xiàn)連續(xù)性生產(chǎn)，還能獲得綜合力學(xué)性能良好的再生塑料。該工藝在特定的螺桿擠出機(jī)中將化學(xué)接枝改性和組分共混同時(shí)進(jìn)行，這種方法最適用于多組分高聚物之間的增容共混。

2.3.3 熱分解

熱分解技術(shù)的基本原理是將廢舊塑料制品中原有的樹(shù)脂高聚物進(jìn)行徹底地大分子鏈分解，使其分解到低分子量狀態(tài)，從而獲得具有高使用價(jià)值的產(chǎn)品。該技術(shù)對(duì)廢塑料的回收利用比較徹底，分解后的產(chǎn)物有油、氣、固體和混合體，對(duì)應(yīng)的熱分解工藝分別是油化工藝、氣化工藝和炭化工藝。其中，油化工藝可對(duì)PS、PE、PVC、PMMA等多種廢棄塑料進(jìn)行處理；氣化工藝主要用于多種混雜的廢棄塑料垃圾和城市中含廢塑料包裝的垃圾；炭化工藝則是將熱分解產(chǎn)生的炭化物質(zhì)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚砗笾瞥苫钚蕴浚蓱?yīng)用于PVC 的熱分解。

2.3.4 化學(xué)分解

廢塑料通過(guò)化學(xué)中的分解反應(yīng)可變成單體或相對(duì)分子質(zhì)量低的物質(zhì)，再次成為高分子合成的原料，通常采用水解或醇解（常用的有甲醇、乙醇、乙二醇）。

經(jīng)過(guò)化學(xué)分解后的產(chǎn)物均勻，容易控制，無(wú)需分離和純化，設(shè)備的成本也較低。缺點(diǎn)是對(duì)預(yù)處理的清潔過(guò)程、品種的均勻性、分解所用的試劑要求高，不適合處理混雜的廢塑料。

此外，還可以用超臨界水對(duì)廢棄塑料進(jìn)行化學(xué)回收。水在溫度和壓力分別高于其臨界溫度（374.3℃）和臨界壓力（22.05MPa）時(shí)，處于超臨界狀態(tài)，超臨界水具有氧化性和有機(jī)溶劑的性能，用超臨界水處理廢塑料的反應(yīng)速率快，效率高，反應(yīng)在密閉空間中完成，避免了環(huán)境污染，該技術(shù)還有成本低、油化率高等優(yōu)點(diǎn)。這項(xiàng)環(huán)保技術(shù)極有前途，然而其發(fā)展時(shí)間還短，值得不斷探索、完善。

3. 常見(jiàn)塑料包裝制品的回收利用

在日常生活垃圾中存在各種各樣的塑料包裝廢棄物，其中回收的重點(diǎn)是聚烯烴、聚苯乙烯、聚氯乙烯和聚酯等，本節(jié)對(duì)一些常見(jiàn)廢塑料制品的分類(lèi)、用途和回收處理方法進(jìn)行介紹。塑料包裝制品的分類(lèi)詳見(jiàn)表1。

表1 常用樹(shù)脂原料及用途

3.1 聚烯烴（PO）回收利用

聚烯烴（PO）主要包括聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP），是廢棄塑料中最普遍，數(shù)量最多的塑料。聚烯烴在回收利用時(shí)通常經(jīng)過(guò)分選、清洗、粉碎、著色和塑化造粒等步驟。聚乙烯和聚丙烯有良好的耐老化性，經(jīng)塑化造粒后，材料的性能只是略低于新料的性能，故在回收造粒時(shí)只需添加少量抗氧化劑和紫外線吸收劑，或不添加任何助劑。

在美國(guó)，回收利用的聚烯烴容器中，把HDPE牛乳瓶、礦泉水瓶回收樹(shù)脂用于制造承裝機(jī)油和洗滌劑的塑料瓶。此外，P&G 公司在制造紙尿布雙層薄膜包裝時(shí)，內(nèi)層使用新樹(shù)脂LDPE，將回收的HDPE50%與EVA 混煉做外層。

3.2 聚氯乙烯（PVC）回收利用

聚氯乙烯（PVC）在我國(guó)塑料制品中占30%以上，對(duì)廢舊聚氯乙烯的處理通常是直接回收或添加適當(dāng)?shù)男铝?，重新制作出各種產(chǎn)品。聚氯乙烯的組成復(fù)雜，除了樹(shù)脂，還包含增塑劑、潤(rùn)滑劑、穩(wěn)定劑、顏料等其他輔助材料。在使用過(guò)程中，助劑在光和熱作用下會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)和損失，再重新制作制品時(shí)需要適量補(bǔ)充助劑以便于獲得較好的物理機(jī)械性能，達(dá)到產(chǎn)品的使用要求，這種方法稱為直接復(fù)配回用。

廢聚氯乙烯在催化劑作用下與煤焦油進(jìn)行反應(yīng)可制成瀝青和塑料油膏。反應(yīng)過(guò)程中，鍵狀的聚氯乙烯分子與煤焦油中的小分子交聯(lián)形成二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使改性后焦油瀝青的軟化點(diǎn)提高，并具有柔性好、耐低溫等優(yōu)點(diǎn)。

3.3 聚苯乙烯（PS）回收利用

聚苯乙烯主要以泡沫塑料形式應(yīng)用于電器產(chǎn)品、工藝品、精密儀器的防震包裝，也應(yīng)用于快餐盒等食品包裝，可做保溫材料。這些包裝材料大多是一次性的，使用后即成為廢品。對(duì)于聚苯乙烯泡沫塑料，可用直接發(fā)泡法或可發(fā)性珠粒法重新加工回用，這兩種工藝都屬于物理過(guò)程，不破壞聚苯乙烯的高分子結(jié)構(gòu)，能保留材料原有的性質(zhì)。最近，日本學(xué)者采用檸檬烯這種新溶劑將聚苯乙烯溶解，溶液經(jīng)過(guò)過(guò)濾、蒸發(fā)后得到熔融態(tài)的聚苯乙烯，再通過(guò)擠出泵水冷固化，切粒等步驟，制出的成品具有和新樹(shù)脂一樣的優(yōu)異性能。

將廢舊聚苯乙烯與水泥混合還可制成混凝土，其密度相當(dāng)于膨脹珍珠巖；聚苯乙烯泡沫塑料與適當(dāng)?shù)奶盍?、粘結(jié)劑混合后還可制造輕型建材；此外，廢聚苯乙烯因其高透明度和良好的折光率還可涂在其他塑料上作為真空鍍膜的底漆。

3.4 聚酯（PET）回收利用

生活中最主要的聚酯廢棄塑料是飲料包裝瓶，即PET 瓶。其主要成分為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，這種材料在塑料中對(duì)氧氣和二氧化碳有較好的耐受性，PET 瓶還具有質(zhì)量輕、價(jià)格低廉、無(wú)毒、不易碎等優(yōu)點(diǎn)，在20 世紀(jì)90 年代由美國(guó)杜邦公司開(kāi)發(fā)后，快速成為了飲料包裝領(lǐng)域的主要材料[7,8]。

PET 瓶的回收利用包括再使用、材料回收再生、化學(xué)回收再生和能源回收再生。其中，PET瓶的再使用是節(jié)約原料、能源，減少包裝廢棄物的重要途徑。先進(jìn)的滅菌洗滌技術(shù)和重罐裝技術(shù)是使PET 瓶作為容器反復(fù)多次使用的重要保障，目前，PET 瓶可重復(fù)使用的次數(shù)可達(dá)20 次。PET飲料瓶再使用工藝的處理步驟如下：分類(lèi)→挑選→水洗→酸洗→消毒→水洗→亞硫酸氫鈉浸泡→水洗→蒸餾水洗→50℃烘干→再使用

4. 結(jié)語(yǔ)

隨著生產(chǎn)生活中一次性塑料制品的日益增加，廢棄塑料的回收是我國(guó)在綠色包裝和環(huán)保領(lǐng)域的重大課題。近年來(lái)，國(guó)家出臺(tái)的“限塑令”和在大城市試行的垃圾分類(lèi)政策已經(jīng)提升了人們對(duì)包裝塑料回收的環(huán)保意識(shí)，我們?nèi)孕柘蛲鈬?guó)學(xué)習(xí)先進(jìn)的處理技術(shù)以提升廢塑料資源的利用率。