面向全球塑料污染治理的重大需求，聚烯烴廢棄物的高值轉(zhuǎn)化已成為化學工程與環(huán)境科學交叉的研究前沿。要實現(xiàn)從“白色污染”向“化學品”的轉(zhuǎn)變，關(guān)鍵之一在于在復雜廢棄物組分中精準調(diào)控高分子鏈的斷裂行為。然而，聚丙烯（PP）等聚烯烴塑料在熱解過程中通常遵循隨機斷鏈的機制，產(chǎn)物多為碳數(shù)分布寬、成分復雜的混合物，難以直接用作精細化學品原料。長期以來，該領(lǐng)域多依賴昂貴的催化劑設(shè)計或高能耗的后處理分離技術(shù)，缺乏高效的反應(yīng)器工程平臺。此外，對于組成不一、雜質(zhì)復雜的實際廢棄塑料，新方法能否突破“隨機斷鏈”的限制，具備實際有效性，一直是化學回收領(lǐng)域亟待研究和解決的問題。
近日，西北工業(yè)大學化學與化工學院許振教授、潘富平教授團隊聯(lián)合山東師范大學張其坤教授、同濟大學王韜副教授和東北財經(jīng)大學許建軍教授團隊開發(fā)了一種基于潛熱調(diào)控的分級降解策略，用于在聚烯烴降解過程中精準控制烴類產(chǎn)物的碳數(shù)范圍與鏈長分布，并進行了系統(tǒng)的交叉學科研究。
2025年11月25日相關(guān)工作以“Fractionated degradation and valorization of polypropylene waste into sulfonate surfactants”為題發(fā)表在《Nature Communications》上（Nature Commun.(2025)）。
本工作首先通過設(shè)計一種獨特的潛熱分級降解反應(yīng)器，利用不同鏈長烴類汽化潛熱的差異，在反應(yīng)過程中建立多級氣液平衡（VLE），實現(xiàn)了PP向C6–C15及C15–C28 α-烯烴的尺寸選擇性斷裂（圖1），獲得了較傳統(tǒng)方法更窄、更可控的產(chǎn)物分布。這一設(shè)計的核心在于構(gòu)建了一個“回流與再降解”的閉環(huán)機制：當上升的混合蒸汽遇到底部的塔板時，較重的長鏈分子因潛熱釋放而優(yōu)先冷凝成液體，并在重力作用下強制回流至底部的反應(yīng)釜高溫區(qū)。這些“不夠短”的分子被迫再次剪切，直到它們被裂解得足夠小，能夠通過特定的溫度區(qū)域為止。這種“不達標就回爐”的機制，成功打破了聚合物降解的隨機性剪切和混合。同時源于塔板溫度和回流的緣故，塔板上的產(chǎn)物會被多次篩選，以此剔除了“誤入”的非目標產(chǎn)物。
圖1反應(yīng)器分級降解的示意圖
為了更準確地量化方法對分布寬度調(diào)節(jié)的可靠性，團隊首次引入了矯正方差（Calibrated Variance, CV）這一統(tǒng)計學參數(shù)（CV = σ2 / C#n），用以替代高分子化學常用的PDI，從而更加敏銳的區(qū)分不同分子量區(qū)間樣本的分布差異（圖2）。實驗與模擬結(jié)果表明，餾分溫度與碳數(shù)呈準線性關(guān)系（圖3），而餾分數(shù)通過汽液平衡與再降解機制逐步窄化鏈長分布（圖3）。采用三級分反應(yīng)器成功將α-烯烴CV控制在0.6以下，其CV顯著優(yōu)于低餾分數(shù)反應(yīng)器及文獻報道的體系（圖2）。
圖2分級降解反應(yīng)器的產(chǎn)物分布以及不同方法的產(chǎn)物分布參數(shù)對比
在使用從菏澤市采集的PP廢塑料進行的10-kg級放大實驗中，該方法仍表現(xiàn)出良好的降解控制能力與產(chǎn)物一致性（圖3）。針對廢塑料不同規(guī)格對產(chǎn)物的影響，研究團隊也做了研究：對安徽省界首市某廢塑料回收產(chǎn)業(yè)園（產(chǎn)能占全國15%）的案例研究發(fā)現(xiàn)，廢塑料純度呈現(xiàn)與產(chǎn)率和產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的相關(guān)性，與且可能存在地域性區(qū)別（圖3）；而產(chǎn)物的元素組成則呈現(xiàn)出一定隨機性。
圖3 塔板溫度分布，模擬結(jié)果驗證與廢塑料的分解反應(yīng)
隨后，團隊對聚烯烴塑料和廢塑料分解后產(chǎn)生的鏈烴進行了升級，轉(zhuǎn)化為表面活性劑，并進行了標準測試、工藝設(shè)計和保守的經(jīng)濟學評價（圖4）。所得產(chǎn)物在發(fā)泡、去污、自然水體中的生物分解等方面均可媲美甚至優(yōu)于商用品（十六烷基苯磺酸鈉，十二烷基磺酸鈉），該工藝也具備比傳統(tǒng)技術(shù)更優(yōu)的經(jīng)濟和環(huán)境效益。這意味著，基于反應(yīng)器工程的熱化學反應(yīng)調(diào)控和反應(yīng)過程設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)減碳要求下廢塑料的高價值轉(zhuǎn)化和石油替代性生產(chǎn)。
圖4 回收產(chǎn)物合成的表面活性劑的性能表征
該研究從反應(yīng)器工程熱力學角度出發(fā)，建立了聚烯烴降解過程中鏈長分布的系統(tǒng)調(diào)控方法，突破了傳統(tǒng)隨機斷鏈機制的限制，為塑料廢棄物的定向轉(zhuǎn)化與高值化回收提供了新的調(diào)控維度。
論文信息：
Fractionated degradation and valorization of polypropylene waste into sulfonate surfactants
Zhen Xu,* Yang Zhang, Tao Wang, Rong Yang, Hao Sun, Meiling Chen, Feng Liu, Jianjun Xu, Kai-Jie Chen, Qikun Zhang,* Fuping Pan*
Published in Nature Communications
https://doi.org/10.1038/s41467-025-66592-0
