非氧化微波等离子体裂解塑料：从减排到固碳的新路径

韩国高丽大学团队提出塑料废弃物微波等离子体重整新方案：同时产氢与固体碳，瞄准近“零CO₂”处置

关键词
Microwave plasma, plastic pyrolysis, greenhouse gas emission, carbon-neutrality, waste management, 废塑料资源化, 工业烟气治理

全球塑料产量和消费量持续攀升，如何在保障能源回收的同时控制温室气体排放，正成为固废与烟气治理领域的共同难题。传统的塑料焚烧、气化和热解工艺，虽然可以实现“废弃物能源化”，但其二氧化碳排放与化石燃料电站相近甚至相当［1–3］，对当前“碳中和”目标构成直接压力。在这一背景下，来自韩国高丽大学（Korea University）机械工程系的 Serang Kwon 与 Seongkyun Im 团队，在第17届静电除尘国际会议（ICESP 2024, Kyoto）上报告了一项颇具前瞻性的研究——利用非氧化微波等离子体，将塑料废弃物中的碳尽可能转化为固体碳与可燃气体，而非CO₂。

这项工作的核心关键词是“微波等离子体”“塑料热解”“温室气体减排”和“碳中和”。研究团队的思路非常明确：既然常规塑料化学回收路径（焚烧、气化、热解）不可避免产生活性含碳气体，最终在燃用环节以CO₂形式排向大气，那么不如在源头工艺中直接将塑料中的碳“锁定”为稳定的固体碳形态，仅让氢和少量轻质烃进入后续能源利用环节，从路线设计上削弱CO₂排放压力［2,3］。要实现这一点，就必须创造高温、强还原（非氧化）、且反应停留时间可控的环境，而工业等离子体正好具备这一特点。

与常见的电弧等离子或高频放电等工艺不同，本研究采用的是2.45 GHz 频率的微波等离子体。微波通过磁控管产生，在标准WR340波导和“surfatron / surfaguide”结构中激发氩气形成等离子体，典型温度范围可达800–3500 K［4］。微波等离子体有几个对工业应用极具吸引力的特征：其一，电源可以快速启停，便于按需运行并对接可再生能源；其二，放电区域无电极侵蚀问题，维护成本较低；其三，功率和气体流量调节灵活，可根据不同原料形态（塑料粉、RDF、混合固废等）优化操作窗口。这些优势，使微波等离子体在甲烷重整、甲醇重整、CO₂利用等方向已经积累了较多探索［5–7］。

在塑料废弃物方向，已有研究表明，微波等离子体可以将聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等转化为高产率氢气和碳纳米管等高附加值碳材料［8］，甚至可以在引入CO₂作为气化剂时，生产富氢合成气［9］。不过，这类过程往往在气氛上引入一定氧化性（如CO₂、H₂O），以抑制反应器内部的炭黑和积炭沉积，从而保证工艺稳定性［5,6,9］。这样一来，固体碳的生成被主动压制，CO 和 CO₂ 则成为不可回避的产物，温室气体排放并不会从根本上下降［3,9］。也有工作尝试在氮气气氛下裂解未分选塑料和口罩、纺织品等“白色垃圾”，结果发现局部高温下形成的固体碳泡沫反而增强了微波吸收，使系统具有一定“自我维持”特性［10］，但依然没有系统地从“固碳减排”角度做工艺设计。

高丽大学团队正是围绕这一痛点提出新方案：在严格非氧化环境下，利用氩气微波等离子体对聚乙烯粉末进行连续裂解，一方面尽量将碳转化并“截留”为固态碳沉积，另一方面重点关注产气中的H₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄ 等可燃组分。这种设计思路，与当前“碳中和”“碳捕集与利用（CCU）”的大趋势高度契合，也为烟气治理和静电除尘器（ESP）等下游净化单元提出了新的工况设想——未来可能面对的是高温、含H₂和不凝性轻烃、夹带细微固体碳颗粒的混合烟气，而不是以CO₂和H₂O 为主的传统燃烧烟气。

在实验装置方面，研究使用了一根长600 mm、内径16 mm的高纯石英管，置于水冷的微波波导和surfaguide中。等离子体载气为氩气，主流量5 L/min，同时引入0.5 L/min 的氮气作为内部标准气体，用于后续气相色谱定量分析。塑料原料选用韩国KCC公司的聚乙烯（PE）粉末，熔点约126–138 °C，预先装入一只气固混合腔。该混合腔为圆筒形，侧壁布置三个进气口，通过多向气流搅拌将粉末均匀吹送至等离子体区，实现准连续进料。微波点火则采用一根可伸缩的钨杆在氩气流中触发等离子体放电［11］。微波入射功率通过功率计监控，并用三短路调谐器和移动短路板将反射功率控制在6%以下，以确保大部分输入能量被等离子体吸收转化为高温反应环境。

在工况设置上，研究团队主要考察了四档等离子体吸收功率：170 W、365 W、490 W 和700 W。在每一工况下，将聚乙烯粉末随氩气进入等离子体高温区，裂解产物随气流下行进入冷却和捕集单元。对于未完全裂解的粉末及焦油状物质，通过串联的冲击瓶和高效过滤器截留；冷却后的气体则汇集到采样袋中，送入气相色谱（GC）进行组分分析。色谱系统配置Carboxen-1000 色谱柱，配合热导检测器（TCD）和氢火焰检测器（FID），可辨识并定量 N₂、H₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆、C₃H₈ 等目标组分。由于氩气在这两种检测器上的响应不明显，氮气被用作内部标准，以其峰面积归一化其它气体的产率变化。

实验结果表明，在170–700 W 的吸收功率范围内，N₂、H₂、CH₄、C₂H₂ 与 C₂H₄ 信号均十分明显，而 C₂H₆ 仅在部分工况下有弱信号，C₃H₈基本未检出。随着微波功率提升，可燃气体的相对峰面积有所变化，显示等离子体能量密度对裂解路径和产物分布具有显著影响。更为关键的是，大量固体碳沉积被观察到附着在石英管内壁、下游不锈钢管路和过滤单元上。下游烟气温度测量结果显示，在石英管出口下游10 cm处，气体温度不超过35 °C，这意味着主要的热裂解和重整反应高度集中在等离子体高温区内，冷段管路本身仅承担冷却与固体捕集功能。这一点，对未来将该类装置与静电除尘器或高温除尘设备耦合设计具有启示意义：可在高温区完成反应和初级固碳，在相对降温后的区域通过ESP或袋滤器进一步精细捕集细微碳颗粒和焦油气溶胶。

研究中还发现一个典型的工程问题：聚乙烯粉末在等离子体上游会发生熔融和部分聚合，形成难以清除的焦油团块附着在石英管顶部，这类“焦油冷凝 + 粉末粘结”问题，在传统垃圾焚烧炉、气化炉甚至部分干式脱硫塔中也屡见不鲜，而在微波等离子连续裂解系统中同样不容忽视。更具挑战性的是，等离子体区形成的大量固体碳层会改变局部电磁场分布，在一定厚度后可能诱发电弧放电，进而干扰等离子体稳定性——这一现象在甲烷等离子体重整等文献中也有所报道［5,6］。高丽大学团队在报告中明确指出，未来必须开发在线物理清灰或机械刮除方案，实现固体碳在生成同时被及时从反应区带出，避免堆积失稳。

从温室气体控制角度看，本研究虽然尚未给出固体碳产率的完整物料衡算数据，但从观察到的大量沉积情况可以清晰看出：在纯氩气这类完全非氧化气氛下，塑料中的碳显著偏向固态产物而非气相CO/CO₂，这与采用CO₂、H₂O等氧化性介质的微波重整工艺形成鲜明对比［6,9］。理论上，如果将该类非氧化微波塑料裂解工艺与下游固体碳定向利用（如碳材料、导电填料、活性炭等）结合，即可构建一个“氢能 + 高附加值碳材料”的塑料化学回收闭环，显著降低整个系统生命周期的CO₂排放强度［3］。对于工业烟气治理和ESP行业而言，这类装置在工程放大后有望发展为“源端低碳”的废塑料能源化单元，其排出的合成气经燃用或合成燃料，再配合尾端高效静电除尘器与协同脱硝、脱酸技术，将形成与传统焚烧线完全不同的工艺版图。

结合国内“双碳”目标和《“十四五”塑料污染治理行动方案》的推进，可以预见，围绕塑料废弃物的高效回收和低碳利用，将持续成为固废处理及工业环保的技术热点。而非氧化微波等离子体裂解路径恰好抓住了两个关键点：一是从反应机制上主动降低CO₂形成几率，把碳留在固相；二是为后端烟气治理、静电除尘和颗粒物控制技术提出新的工况与需求，推动上游反应工程和下游除尘、超低排放技术的协同创新。高丽大学本项研究目前仍处于实验室验证阶段，但在装置连续化、固体碳在线清除、能效优化等方向的进一步突破，将为“塑料废弃物-微波等离子体-固体碳捕集”这一新型路径奠定基础，对我国未来危废焚烧、塑料再生、垃圾发电以及钢铁、水泥等行业协同处置塑料废弃物，都具有重要的技术风向标意义。

参考文献
[1] Geyer, R., Jambeck, J. R., & Law, K. L. (2017). Production, use, and fate of all plastics ever made. Science Advances, 3(7), e1700782.
[2] Suresh, A., Alagusundaram, A., Kumar, P. S., Vo, D. V. N., Christopher, F. C., Balaji, B., Viswanathan, V., & Sankar, S. (2021). Microwave pyrolysis of coal, biomass and plastic waste: A review. Environmental Chemistry Letters, 19, 3609–3629.
[3] Kwon, S., Kang, J., Lee, B., Hong, S., Jeon, Y., Bak, M., & Im, S.-K. (2023). Nonviable carbon neutrality with plastic waste-to-energy. Energy & Environmental Science, 16.
[4] Bhatt, K. P., Patel, S., Upadhyay, D. S., & Patel, R. N. (2022). A critical review on solid waste treatment using plasma pyrolysis technology. Chemical Engineering and Processing – Process Intensification, 177.
[5] Jasiński, M., Dors, M., Nowakowska, H., & Mizeraczyk, J. (2008). Hydrogen production via methane reforming using various microwave plasma sources.
[6] Czylkowski, D., Hrycak, B., Jasiński, M., Dors, M., & Mizeraczyk, J. (2016). Microwave plasma-based method of hydrogen production via combined steam reforming of methane. Energy, 113, 653–661.
[7] Bundaleska, N., Tsyganov, D., Saavedra, R., Tatarova, E., Dias, F. M., & Ferreira, C. M. (2013). Hydrogen production from methanol reforming in microwave “tornado”-type plasma. International Journal of Hydrogen Energy, 38, 9145–9157.
[8] Zhang, P., Liang, C., Wu, M., Chen, X., Liu, D., & Ma, J. (2022). High-efficient microwave plasma discharging initiated conversion of waste plastics into hydrogen and carbon nanotubes. Energy Conversion and Management, 268.
[9] Zhang, P., Liang, C., Wu, M., Li, Y., Chen, X., Liu, D., & Ma, J. (2024). Sustainable microwave-driven CO₂ gasification of plastic waste for high-yield H₂ and CO production. Applied Catalysis B: Environmental, 345.
[10] Xu, G., Jiang, H., Stapelberg, M., Zhou, J., Liu, M., Li, Q. J., Cao, Y., Gao, R., Cai, M., Qiao, J., Galanek, M. S., Fan, W., Xue, W., Marelli, B., & Zhu, M. (2021). Self-Perpetuating Carbon Foam Microwave Plasma Conversion of Hydrocarbon Wastes into Useful Fuels and Chemicals. Environmental Science & Technology, 55, 6239–6247.
[11] Sun, H., Lee, J., & Bak, M. S. (2021). Experiments and modeling of atmospheric pressure microwave plasma reforming of a methane-carbon dioxide mixture. Journal of CO₂ Utilization, 46.

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