摘要：问题的主要部分在于，大部分垃圾都是脏乱不堪的各种塑料，其中混杂着食物、墨水和标签。清理这些垃圾并将其分类为单一聚合物、未受污染的塑料流的成本很高——这种塑料流通常是传统“机械”回收所需要的，在这种回收方式中，塑料被切碎、熔化并重新制成颗粒，准备用于制造新产品。
泰国的一名工人正在倒出一袋塑料垃圾，预计未来几十年塑料垃圾的产量将激增。图片来源：Matt Hunt/Anadolu Agency via Getty
文章来源：Nature https://www.nature.com/articles/d41586-025-00293-y
世界在塑料回收方面做得很差。目前，我们每年产生的塑料垃圾中只有 10-15% 被回收利用，其余的则被焚烧、掩埋或作为垃圾倾倒1、2 。
问题的主要部分在于，大部分垃圾都是脏乱不堪的各种塑料，其中混杂着食物、墨水和标签。清理这些垃圾并将其分类为单一聚合物、未受污染的塑料流的成本很高——这种塑料流通常是传统“机械”回收所需要的，在这种回收方式中，塑料被切碎、熔化并重新制成颗粒，准备用于制造新产品。
这也解释了为什么人们对于今年将在英格兰东北部开始商业运营的一家化工厂感到兴奋。原则上，它可以处理任何类型的塑料垃圾，包括被视为“不可回收”的混合塑料，并将其分解成类似于从原油中提取的化学物质。经过进一步加工，这些化学物质可以重新变成新鲜塑料。如果成功，它可能成为循环制造工艺的一个有力例子——塑料被反复使用和再加工——有可能遏制世界对化石资源制造原生塑料的依赖。
如何阻止塑料污染：三种切实有效的策略
该工厂位于雷德卡附近，采用一种名为“化学回收”的概念，将塑料分解成更小的化学结构块。这种方法的主要竞争对手是热解：在没有氧气的反应器中将塑料加热到 450°C 以上。但热解耗能且效率低下，大部分塑料会变成无用的烟灰。
相比之下，新工厂使用高温高压水来更温和、更清洁地分解塑料废物。该工厂的幕后推手是总部位于伦敦的 Mura Technology 公司，该公司表示，这是世界上第一家以这种方式回收塑料的商业规模工厂。它的成功意义重大——如果一切顺利并盈利，它可能会引发世界各地更多此类工厂的启动。
Mura 宣称该技术具有“革命性”，因为它“有潜力帮助消除塑料垃圾，回收所有类型的塑料，创造真正的循环经济”。Mura 表示，与热解相比，其工艺的二氧化碳排放量更低，对受污染废物的容忍度更高。与焚化炉中燃烧塑料发电相比，该工艺的二氧化碳排放量减少了约 80% ——焚化炉是处理废物的常用方法。
如果这听起来像是塑料回收的灵丹妙药，那就再想想吧。实际上，正如 Mura 所解释的那样，该工厂目前对塑料废物的成分非常挑剔，必须以类似于机械回收的方式对塑料废物进行粉碎和分类。而且，与热解工厂一样，并非所有工厂的产品都会重生为塑料，一些批评人士表示，该过程不应算作回收——Mura 否认了这一指控。
这些实际情况引发了人们对塑料污染未来的担忧，以及化学回收是否能发挥其承诺的潜力。这个想法并非一无是处——但现实生活中的复杂情况使它不像宣传的那样具有革命性。
塑料污染是一个日益严重的问题。回收技术已经难以应对当今的塑料垃圾，经济合作与发展组织 (OECD) 预计，到 2060 年，塑料垃圾产量将激增至每年10亿吨以上（见“塑料垃圾的去向”）。
数据来源：OECD
机械回收是最常见的回收方式。尽管该工艺产生的材料通常比原生塑料稍弱，但对于某些塑料的纯流，如饮料瓶中的聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)，它的效果已经足够好。
但其他形式的塑料垃圾则更具挑战性。以软包装和薄膜为例，这类垃圾包括食品袋、气泡膜和零食包装纸等。这些垃圾通常由各种形式的聚乙烯和聚丙烯制成，属于一种名为聚烯烃的聚合物，占所有消费后塑料垃圾的三分之二（见“塑料类型”）。
这些材料可能是几种塑料的混合物——回收起来很麻烦。要把混合塑料分开可能非常困难。如果回收它们，它们通常会变成低质量的材料，可能只适合制作垃圾袋，回收商几乎没有经济动力去接受这样的废物流。
这只是约 40% 的塑料垃圾被填埋，另外 25% 被焚烧以回收能源的原因之一。约 15% 的塑料垃圾被当作垃圾丢弃2。
这也有助于解释人们对化学回收的热情高涨。许多研究人员、公司和政策制定者认为，这种方法可以从棘手的塑料废物中获取更多价值，从而为回收提供动力3。
根据英国剑桥市场情报公司 IDTechEx 的数据，目前最常用的化学回收方法是拆开塑料的聚合物链以回收组成化学构件或单体。这可以用溶剂或酶来完成；IDTechEx 将一般方法称为“解聚”。然而，这些工艺成本高昂，而且只对少数已从其他塑料废物中分离出来的塑料进行了商业化。
IDTechEx 预计，到今年年底，解聚法将被更简单的热解法所取代。热解法不会将塑料分解成单体，而是产生一种称为热解油的碳氢化合物混合物，类似于原油。这种油中的某些成分随后经过更多的石化加工，生成特定的塑料原料化学品，例如乙烯和丙烯，这是聚烯烃最常见的单体。
据 IDTechEx 称，全球大约有 50 家热解工厂，大部分位于欧盟和美国，每年总处理能力约为 266,000 吨。这只是这些地区产生的塑料垃圾的一小部分。不过，预计到今年年底将有更多的热解工厂投入使用。
迫切需要一项塑料条约，但做好它需要时间
但热解法存在许多问题。首先，它产生的部分石油被转化为燃料或其他化学品，而不是用于制造新塑料，因此这部分石油无助于减少新塑料的产量。布鲁塞尔的活动组织“零废物欧洲”（ZWE）等批评人士表示，这种方法应该被称为“化学回收”，而不是真正的塑料化学回收（见go.nature.com/4hjfk7z）。
其次，这是一个低效的过程。输入塑料中高达 20% 的碳会变成不需要的烟灰副产品，称为炭，一些会以 CO 2 的形式流失，而热解油可能含有必须在进一步使用前去除的污染物4。
第三，尽管热解工厂以能够处理多种混合塑料而闻名，但实际上，它们处理的是聚烯烃塑料废料，而且是相对干净的废料。IDTechEx 的技术分析师詹姆斯·肯尼迪 (James Kennedy) 表示，原因是这种废料可以产生更具商业销售价值的热解油，而且相对容易投入现有的石化工艺。不同的塑料，如 PET，可以进行热解，但它们会引入氧原子，这些氧原子会进入热解油产品中，必须在之后去除。同时，更脏的废料往往会产生更脏的热解油，也必须进行清洁。加州大学伯克利分校的可持续发展研究员科琳·斯考恩 (Corinne Scown) 表示，为了避免这笔费用，热解工厂仍会事先对塑料进行分类和清洁，通常采用与机械回收设施相同的预处理步骤。因此，以这种方式制造塑料的成本高于机械回收，也高于用化石石油制造原生塑料。
这正是 Mura 的技术发挥作用的地方。这种方法被称为热液液化，但 Mura 不锈钢反应器内的秘密武器不仅仅是热水。该过程在超过 400°C 和 220 个大气压下进行，这意味着水处于超临界状态——它既可以像液体又可以像气体一样，溶解油性聚合物分子并将其切成碎片。“从表面上看，它很有前景。我认为有很多令人兴奋的事情。我参加过不少会议，每个人都在谈论它，”肯尼迪说。
与热解一样，热液液化利用热量来破坏将聚合物链结合在一起的强碳碳键。这会产生分子碎片，每个断裂的碳上都有一个不成对的电子，称为碳自由基。在热解过程中，这些活性自由基像一群疯狂的食人鱼一样四处乱窜，互相撕成小块。但在 Mura 的热液工艺中，熔融的聚合物通过超临界水分散得更均匀。这使得传热更有效率，并确保碳自由基倾向于通过从周围的水分子中夺取氢来满足对其他原子的渴望，形成更稳定的碳氢化合物并避免形成焦炭5。
英国雷德卡附近的一家新塑料回收工厂，业主 Mura 表示将于 2025 年开始运营。图片来源：Kim Walker/Mura Technology
超临界流体已广泛应用于各种工业过程，从净化药物到去除咖啡因。其他公司正在使用热液化将生物质转化为燃料并回收棉涤纶纺织品。
但 Mura 表示，这是超临界水首次应用于商业规模的废塑料处理。目前，它还没有太多竞争对手，尽管有很多研究人员正在研究使用超临界液体分解各种聚合物6。
Mura 表示，其工艺产生的产出量与热解油类似，但二氧化碳排放量更低、效率更高，对污染的耐受性也更高。总体而言，Mura 预测，这将使其工艺比热解更具优势，从而促进混合废物的回收利用。“如果该工艺对污染的耐受性更强，那么这将使其处于优势地位，”Scown 说。
Mura 的技术酝酿已久。它源自澳大利亚悉尼大学的化学家 Thomas Maschmeyer。20 世纪 90 年代，当他在荷兰代尔夫特理工大学工作时，一家公司向他寻求使用超临界液体处理城市垃圾的建议。尽管该工艺没有成功，但这个想法却深深地印在了他的脑海里。
多年后，在澳大利亚，他和同事 Len Humphreys 设计了一种反应堆，利用超临界水转化废弃生物质，如木屑和农业残留物。两人成立了一家名为 Licella 的公司来开发这种工艺，称为催化热液反应器或 Cat-HTR。除了超临界水，Cat-HTR 还可以使用催化剂帮助去除纤维素等木质聚合物中的氧原子，产生油性产物7。Licella 与加拿大林业公司 Canfor 合作，刚刚在加拿大乔治王子城建成了一座工厂，将森林废弃物转化为航空燃料。
2016 年，Licella 的投资者史蒂夫·马洪 (Steve Mahon) 建议研究人员尝试用废塑料来给反应器供料。该工艺即使没有催化剂也能成功，马洪和 Licella 成立了 Mura 公司，将其商业化为热液塑料回收技术 (Hydro-PRT)。现任 Mura 首席执行官的马洪表示，自早期试验以来，该工艺已取得很大进展；大部分开发资金来自跨国陶氏化学等石化巨头以及美国技术和工程公司 KBR。他说：“我们花了 2 亿美元，用了七八年的时间，将实验室的好奇心转化为工业化生产。”
Mura 的反应器只需大约 30 分钟即可将一批塑料转化为所需的碳氢化合物产品混合物，而热解则需要数小时。减压后，这些碳氢化合物从水中分离出来，然后蒸馏成四种产品：石脑油、两种“柴油”和一种“重质渣油”（参见“如何用过热水回收塑料”）。与热解不同，塑料中的大部分污染物仍留在水中，这意味着反应器可以处理更脏的废物而不会污染其产品。
重质残油可用作沥青添加剂。石脑油和馏分柴油被送往陶氏，陶氏使用巨大的化学反应器（称为蒸汽裂解器）将材料转化为各种产品，包括乙烯和丙烯，它们是新聚合物的组成部分。其余部分则被送往一家芬兰工厂，该工厂由炼油公司 Neste 运营，在那里进一步精炼，制成各种化学品。
就像热解一样，ZWE 等批评人士抱怨说，工厂的部分产出物不会再生为再生塑料。甚至进入陶氏蒸汽裂解装置的石脑油也与化石燃料衍生的石脑油混合，然后才用于制造新鲜塑料。Scown 指出，与石化厂加工的化石石脑油相比，再生石脑油的供应量微乎其微，因此，在现有炼油厂使用再生材料时，这种混合是不可避免的。
“从表面上看，我们似乎在努力实现更多的循环利用。但实际上，我们只能继续使用原生塑料，”ZWE 化学回收政策官员 Lauriane Veillard 说道。Mura 驳斥了 ZWE 的说法，即其流程应称为“化学回收”。它表示，“化学回收”是指将废物分解成原材料的过程，这些原材料不仅可用于制造新塑料，还可用于制造其他产品。
尽管 Hydro-PRT 几乎可以处理任何类型的塑料，但实际上，其处理范围仅限于产生客户所需的碳氢化合物产品的废物。“我们专注于聚烯烃，因为我们可以获得蒸汽裂解器的最佳产品，”Mahon 说。这也意味着 Mura 将使用许多与热解工厂和机械回收商相同的粉碎和分类步骤来整理其塑料原料。
尽管如此，该公司坚持表示，它只会再加工那些在机械回收过程中被拒收的塑料垃圾，否则这些垃圾将被焚烧或填埋。该工厂将有大量此类垃圾可供使用，因为英国法律要求所有地方当局从 2027 年 4 月起从家庭收集塑料薄膜和软包装进行回收。
这一切对环境有益吗？英国华威大学华威制造集团 (WMG) 的可持续发展研究员 Stuart Coles 在政府机构 Innovate UK 8资助的研究中，对 Mura 的工艺进行了独立的生命周期分析 (LCA) 。
研究发现，Hydro-PRT 每处理一吨废塑料会排放不到半吨的二氧化碳。其中大部分来自分离和分类塑料废物所用的电力以及一些电加热，因此随着英国电网变得更加环保，排放量应该会下降。
排放量远低于能源回收焚烧，后者每吨塑料排放约 2.3 吨二氧化碳，还不到炼制化石石油生产原生石脑油排放量的一半。但 Hydro-PRT 的二氧化碳排放量仅略低于其他研究计算的热解厂排放量，实际上略高于机械回收。
“最重要的一点是，如果你能用机械方法回收你的材料，那就这么做吧。如果你不能用机械方法回收它，那就用最适合该材料的方式进行化学回收，”科尔斯说。
为了遏制塑料污染，产业界和学术界必须团结起来
斯考恩表示，如果政府在收集、分类和分离方面投入更多，就有可能通过机械方式回收大量废塑料9。“这能让你最大限度地利用机械回收，而这仍然是温室气体排放量最低的选择，”她说。
与此同时，肯尼迪表示，机械回收有很大的发展空间，可以变得更加灵活。他说，目前正在开发的技术可以使机械回收设施升级回收的聚合物，例如通过使用添加剂来增加其链长。“这进一步扩大了机械回收塑料的范围——这将限制化学回收的用途，”他说。
陶氏公司表示，Mura 的工艺将“减少对原始化石原料的依赖”。然而，这并不一定意味着它将减少塑料生产所需的石油总消耗，因为塑料产量仍在持续增长。
“我很希望，由于我们向世界推广了更多的回收技术，用于生产聚合物材料的原油产量将会下降。但这种情况还没有发生：原油生产的聚合物产量自古以来就逐年上升，”科尔斯说。“但除非我们能找到方法将我们已经获得的材料重新投入到我们的系统中，否则情况不会逆转。”
Mura 的英国工厂每年将处理约 23,000 吨废物，德国、美国、新加坡、日本和韩国也计划建设类似的 Hydro-PRT 工厂，其中一些工厂已授权给三菱和 LG 化学等其他公司。Mahon 表示，英国工厂将成为该技术的重要试验台，并将指导未来工厂的发展。
但总体而言，IDTechEx 认为化学回收是一项小众业务。该公司预测，到 2034 年，所有形式的化学回收每年将处理超过 1700 万吨塑料垃圾——较目前的水平大幅增加，但仍只占庞大塑料垃圾总量的几个百分点。
肯尼迪说，推动所有化学回收工艺（包括热解和 Mura 的 Hydro-PRT 工艺）投资的驱动力实际上是监管。例如，欧盟的一项指令规定，到 2030 年，所有类型的塑料瓶应含有 30% 的再生材料；另一项更广泛的法规将要求接触敏感包装（如食品和化妆品的塑料容器）从 2030 年起含有 10% 的再生材料，到 2040 年可能上升到 25%。英国也引入了一项税收，对再生材料含量低于 30% 的塑料包装进行处罚。
负责 Neste 化学回收技术商业化的 Outi Teräs 表示：“包装的最低再生材料含量目标将推动化学回收的需求，因为很少有塑料可以通过机械回收达到足够高的质量。”
但定义什么算作再生材料已成为争论的焦点，并受到激烈的游说——包括批评者称该行业正在欺骗消费者。
例如，如果生产塑料单体和其他化学品的炼油工艺采用50:50的石油和废塑料混合物作为原料，那么人们可能预计该炼油厂生产的每种产品都会有50%的回收材料——这在业内被称为“比例分配”。
但一些化学品制造商使用一种称为“自由分配”的方法来调整这些再生材料的数字。原则上，这意味着最有价值的产品可以说含有 100% 的再生材料，而低价值产品则分配 0%。
许多环保组织，包括 ZWE 和利益相关方联盟美国塑料公约 (US Plastic Pact)，都表示这是作弊行为。去年，非营利新闻机构 ProPublica 的一项调查描述了一些制造商如何利用免费配额声称他们的塑料包装含有比实际预期更多的可回收材料。
英国政府于 2024 年 10 月得出结论，免费分配是不可接受的。相反，Mura 等回收商将被允许使用一种更严格的重新分配方法，即燃料豁免质量平衡核算。这意味着由废塑料制成的燃料不计入再生塑料含量，并且其塑料衍生分子的份额无法重新分配。据 Veillard 称，欧盟正在考虑采取同样的做法。
维拉德承认，热液液化可能比焚烧或填埋更好。“我们一直强烈批评化学回收和化学回收，但我们从未说过这是绝对不行的，”她说。“它有其作用——但绝对不应该是首选。”
马洪表示，英国对再生塑料的定义方式很适合 Mura。“我们正努力实现尽可能的循环利用，几乎把所有分子都用于制造新产品，而不是用作燃料，”他说。
在接下来的几年里，批评者和支持者都将密切关注英国的工厂，看它是否接近实现这一雄心勃勃的目标，或者加入再生塑料领域众多未实现的希望之列。
自然638 , 22-25 (2025)
doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-00293-y
来源：人工智能学家
