Ga/Zn改性HZSM-5催化PET-LDPE共热解高效制备BTX芳烃的技术突破

为解决混合塑料废弃物（含PET和LDPE）热解过程中氧合物导致产物质量下降的难题，研究人员开发了Ga/Zn改性HZSM-5双功能催化剂体系。通过两段式反应器实现气相催化升级，将PyOil收率提升至50 wt.%，BTX选择性达80-89%，显著优于未改性催化剂（24-34 wt.%）。该研究为混合塑料高值化回收提供了创新解决方案。

　　

塑料已成为现代社会的基石，从食品包装到医疗器械无处不在。然而全球每年约6%的塑料产量来自聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），当其与低密度聚乙烯（LDPE）等聚烯烃混合时，传统机械回收面临严峻挑战。更棘手的是，PET热解会产生大量苯甲酸、CO₂等氧合物，不仅腐蚀设备，还导致热解油（PyOil）品质骤降。虽然HZSM-5分子筛能实现完全脱氧，但24-34 wt.%的PyOil收率难以满足工业化需求。

针对这一瓶颈，国外研究团队在《Catalysis Today》发表创新成果。研究者设计了两段式反应系统：第一阶段600℃热解PET-LDPE混合物，第二阶段采用Ga/Zn改性HZSM-5催化升级热解蒸汽。XPS分析揭示GaO_x和ZnOH⁺物种形成新的路易斯酸位点（Lewis acid sites），当这些位点与布朗斯特酸位点（Br?nsted acid sites）邻近时，产生协同效应——既加速脱氧又促进芳构化。

关键技术包括：微热解器联用全二维气相色谱（GC×GC-FID/TOF-MS）分析产物分布；X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）表征催化剂结构；定制多柱GC系统（Trace 1310）检测轻质气体。

【催化剂性质】
XRD显示改性未破坏HZSM-5晶体结构（特征峰7.9°、8.8°保留）。NH₃-TPD证实Ga/Zn引入使强酸位占比从47%降至35%，这种适度弱化的酸性更利于脱羧/脱羰基反应。

【产物分布】
对比未改性HZSM-5，Zn-HZSM-5使BTX选择性从68%跃升至89%，且随PET比例增加保持稳定。Ga-HZSM-5虽提高芳烃总量，但多环芳烃（PAHs）占比达21%，显著高于Zn体系的9%。这归因于Zn²⁺优先催化单环芳构化，而Ga⁺促进苯环烷基化副反应。

【协同机制】
LDPE裂解产生的烯烃与PET衍生的苯甲酸发生共芳构化：ZnOH⁺位点催化脱氢形成二烯中间体，相邻布朗斯特酸位点驱动环化，最终将C=O键转化为C=C键。这种协同使混合塑料的BTX收率比单独处理PET提高37%。

该研究突破性地证明：金属改性可精准调控分子筛酸性分布，Zn-HZSM-5在保持高脱氧效率（CO_x产率>26 wt.%）的同时，将碳利用率提升2倍。相较于传统CaO催化剂（仅催化脱羧），双功能催化剂实现了氧合物全转化与烃类定向芳构化的统一，为建立"塑料炼油厂"提供了关键技术支撑。特别值得注意的是，该工艺可直接处理含30%PET的混合废塑料，无需复杂预处理，具有显著的工业化前景。