综述：将医疗塑料废物转化为有价值的碳氢燃料：进展、挑战与未来机遇

医疗塑料垃圾因难降解和污染问题传统处理方法不环保，热解技术可将垃圾转化为燃料和炭材料，重点研究不同热解形式的反应参数和产物应用。

普拉蒂克莎·乔汉（Prateeksha Chauhan）|阿米特·库马尔·夏尔马（Amit Kumar Sharma）|巴夫娜·亚达夫·兰巴（Bhawna Yadav Lamba）

印度北阿坎德邦德哈拉敦比德霍利（Bidholi），UPES高等工程学院应用科学集群化学系，能源广场大楼（Energy Acres Building），邮编248007

摘要

医疗塑料废物（MPW）的数量呈指数级增长，引发了严重的环境和公共卫生问题，尤其是在COVID-19大流行之后。常见的医疗塑料如聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）具有抗降解性，且常常受到污染，这使得传统的处理方法（包括填埋和焚烧）在环境上不可持续。近年来，热化学转化技术，尤其是热解技术，因能将医疗塑料废物转化为有价值的产物（如碳氢燃料、合成气和富碳焦炭）而受到关注。本研究详细探讨了医疗塑料原料的特性，包括元素分析、最终分析以及高热值，以便用于能源回收。

此外，本文还评估了包括回收、气化、水热液化和热解在内的管理技术，强调了它们的相对优势和劣势。文章深入讨论了热解过程及其先进形式（如真空热解、催化热解、太阳能热解、等离子体热解和微波辅助热解），重点关注了工艺参数（温度、停留时间、加热速率和催化剂）及反应器配置。

该综述进一步探讨了热解副产品的物理化学性质和潜在用途，例如液体油可用作运输燃料，合成气可用于能源回收，固体焦炭可用于吸附、复合材料增强和纳米材料制备。尽管热解在长期利用医疗塑料废物方面具有巨大潜力，但大规模应用仍需解决若干挑战，包括反应器污染、原料不均匀性、催化剂失活以及卤化塑料的安全处理等问题。

引言

塑料废物在汽车、农业、包装材料、电子设备、建筑和拆除活动等多个经济领域中急剧增加。据报告，塑料废物占城市固体废物的三分之一。据估计，到2050年，塑料废物的年产量可能达到数十亿吨，增长率为9-13% [1]。每年有超过3亿吨的塑料废物被填埋或焚烧，这对能源和环境造成了日益严重的威胁 [2]。最新数据显示，印度每年产生约1299万吨塑料废物，中国紧随其后，约为1227万吨 [3]。COVID-19大流行导致塑料废物量意外增加，尤其是在医疗领域。对医疗用品的迫切需求导致了大量塑料废物的产生。不幸的是，这些废物的不当处理带来的危害大于益处。2021年的一项研究显示，在疫情高峰期，未被妥善管理的塑料废物总量达到了惊人的1510万吨 [4]。在COVID-19大流行之前，医疗行业已经是塑料废物的主要来源 [5]。世界卫生组织（WHO）指出，15%的医疗废物属于危险类别，可能具有传染性、毒性、易燃性或放射性，因此医疗废物的不当管理会导致温室气体排放增加和环境污染 [6]。据报道，位于中国重庆的Gient Heating Industry Co., Ltd.这家废物处理公司记录到每天产生约45吨医疗废物。这一数字在2020年2月中旬上升到110-1150吨，并在3月初达到峰值247吨 [7]。Kargar等人 [8] 报告称，仅在美国，医院每年产生的医疗废物就超过590万吨。COVID-19疫情进一步加剧了这一问题，尤其是在美国、印度、法国、巴西、英国、意大利和中国等国家 [9]。2016年，美国的塑料废物产量最高，为4200万吨，其次是欧盟28个国家（3000万吨）、印度（2600万吨）和中国（2200万吨）[10]。武汉的一项案例研究显示，疫情期间每1000人每天产生的医疗废物量从3.64公斤激增至27.32公斤 [11]。因此，疫情进一步凸显了高效处理塑料废物的必要性 [12]。由于生物相容性和重量轻，塑料被广泛用于生产85%的医疗设备，包括关节置换物、无菌包装、一次性注射器和静脉输液袋 [13]。过去依赖钢材、陶瓷或玻璃的医疗行业，如今大多采用塑料，因为塑料更经济、更灵活、更耐用。医疗废物（MW）包括来自医院、医学实验室和研究中心的废物，不当处理会增加疾病传播的风险，使患者、废物处理人员和医护人员暴露于传染性物质中 [14]。根据使用寿命，塑料可分为一次性塑料和可重复使用塑料。由于一次性塑料的寿命较短，它们成为环境污染的主要来源。全球生产的塑料中，近三分之二的寿命不足一个月，导致它们迅速在填埋场和海洋中积累 [15]。传统的废物处理技术（如焚烧）正受到越来越多的质疑。尽管焚烧可以处理危险医疗废物，但它会释放大量有害气体，如HCl、二噁英、SO_x、NO_x 和 CO₂。这些气体不仅会导致酸雨和全球变暖，长期吸入还可能引发呼吸系统问题 [16]、[17]。回收也面临诸多挑战，如消费者意识不足、物流和财务问题。大规模回收在经济上不可行，因为原生塑料相对便宜，往往比回收塑料更具竞争力。此外，并非所有类型的塑料都适合回收，特别是受污染和多层塑料 [16]。通过热化学转化处理生物医学废物是一种可持续的方法，可以将废物转化为有价值的资源，从而实现环境可持续的废物管理，减少有害气体排放，并将废物转化为财富 [18]、[19]、[20]。热解作为一种高效且有前景的方法，因能生产有价值的碳氢化合物（用作燃料和不同化学工业的原料）而受到广泛关注，同时提供了比传统回收方法更灵活、劳动力需求更低的替代方案 [21]、[22]、[23]、[24]。与机械回收相比，热解能更有效地处理受污染和混合塑料废物 [25]。它是一种在惰性环境中分解有机物质的热化学过程，产生的有毒污染物比焚烧少 [26]、[27]。热解产生的主要产品有三种：气体（氢气、甲烷和合成气）、液体（热解油）和固体（焦炭、炭黑）。本文详细讨论了医疗塑料废物热解的最新进展，并探讨了影响工艺性能的关键参数，如反应器设计、加热速率和催化剂等。

此外，还批判性地分析了工艺参数、反应器设计和催化剂改进对热解产品的影响。讨论了从医疗塑料废物中提取的液体油、气体和固体焦炭的物理化学性质和潜在应用。同时，本文还探讨了医疗塑料废物热解的长期环境和人类健康影响，特别关注了实现可持续规模化所需的排放控制策略和监测技术。本文为研究人员提供了有用的资源，帮助他们设计更高效的实验方法，并开发创新策略，以从医疗塑料废物中生产可持续燃料。

医疗塑料废物的特性和类型

医疗塑料在结构和化学性质上具有相当大的变异性，这显著影响了其热解行为。医疗塑料主要由聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚氨酯（PU）、聚苯乙烯（PS）和聚氯乙烯（PVC）等聚合物组成，使其成为热解的理想原料 [28]。高密度聚乙烯（HDPE）具有线性链和极少的支链，因此密度和结晶度较高，而低密度聚乙烯（LDPE）则不然

焚烧

焚烧是处理医疗废物的常见方法，占全球废物总量的59-60% [47]。为了有效杀死病原体，这一过程在800-1200°C的高温下进行，可破坏近90%的有机物，确保病原体被彻底销毁 [48]。然而，尽管焚烧在杀菌方面有效，但在开放环境中焚烧塑料废物会对环境造成严重污染

热解类型

热解可以通过多种先进方式实现，每种方式都旨在提高效率、能源利用率或产品质量 [112]。这些专门的热解类型包括等离子体热解、水热热解、太阳能热解、真空热解、微波辅助热解和催化热解，它们通过改变加热机制、反应环境或化学路径来优化塑料废物的转化 [38]、[113]、[114]、[115]。这些方法代表了克服传统方法的创新途径

影响医疗塑料废物热解的因素

在医疗塑料废物的热解过程中，温度、停留时间、流化气体速率、加热速率、反应器设计和催化剂类型等参数对产物产量和组成起着关键作用 [98]、[143]、[144]。表3总结了各种医疗塑料原料及其在报道的热解条件下的相应产物产量。

热解产物的特性和应用

塑料废物的热解会产生三种主要产物：液体油、气体和固体焦炭。

结论与未来展望

随着全球医疗需求的增长，塑料废物的数量呈指数级增加，带来了严重的环境和健康威胁。本文对现有的处理方法（包括焚烧、填埋、气化、水热液化（HTL）和热解）进行了批判性评估。由于替代方法在可持续性、排放和能源回收方面的局限性，热解作为一种有前景的废物转化途径脱颖而出

伦理批准

不适用

CRediT作者贡献声明

巴夫娜·亚达夫·兰巴（Bhawna Yadav Lamba）：撰写——审稿与编辑、验证、监督。阿米特·库马尔·夏尔马（Amit Kumar Sharma）：撰写——审稿与编辑、监督、数据整理。普拉蒂克莎·乔汉（Prateeksha Chauhan）：撰写——初稿撰写、验证、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢UPES德哈拉敦分校，特别是CIC研发部门在研究过程中提供的无条件支持和帮助。

同意参与

作者同意发表本文。

声明

作者保证不存在利益冲突。