【文献解读】废弃COVID-19口罩催化热裂解制备高附加值芳烃
背景介绍
自2019年12月开始，新冠肺炎开始肆虐全球，由此全球人民开始佩戴口罩进行自身健康防护并防止新冠肺炎传播。这也造成了在短期时间内大量已使用过得COVID-19口罩被丢弃，比如在全球范围内每月有1290亿只COVID-19口罩成为废弃物。此外，在2020年内有15.6亿只COVID-19口罩进入海洋。显然，废弃的COVID-19口罩可以引起众多环境问题，因此现在急需发展一种处理这些废弃COVID-19口罩的方法。
在本文之前，已有研究人员从事了COVID-19口罩非催化气化方面的研究。此外，对于含碳有机物（如生物质和塑料），使用催化热裂解可以制备高附加值芳烃，例如苯、甲苯、乙苯和二甲苯（BTEX）。众所周知，相比于其他催化剂，分子筛拥有可调整的酸性和特殊的孔道结构，所以常使用它作为制备BTEX的催化剂。
基于上述情况，来自韩国首尔大学的Young-Kwon Park等人对COVID-19口罩进行了催化热裂解制备芳烃（BTEX）的实验，考察反应过程中不同分子筛催化剂的酸性及孔道结构对反应的影响。此过程主要包含两步骤：一是在无催化剂的情况下热解COVID-19口罩；二是将热解所得到的裂解物（C8-C46）通入分子筛催化剂中反应生成BTEX，此过程中使用的分子筛包含HZSM-5、HBeta和HY以及介孔材料Al-MCM-41。值得提出的是，反应是在固定床反应器上进行的。
图文解读
一、原料分析及催化剂表征
首先，作者对原料进行了工业分析和元素分析（Table1），结果与先前文献所诉一致，COVID-19口罩主要由聚丙烯和尼龙-6组成。此外，使用热重对原料进行检测（Fig.1），结果表明，在435-500℃之间，COVID-19口罩可以发生有效降解，因此这个温度范围可以作为非催化热裂解过程的考察温度。此外作者对催化剂进行氮气吸脱附实验和NH3-TPD（Table2和Fig.2）实验，结果表明孔径大小顺序如下：Al-MCM-41>HY>HBeta>HZSM-5;酸量高低顺序如下：HBeta>HY>HZSM-5>Al-MCM-41。
Fig. 1. TG and DTG curves of the mask used as the feedstock.
Fig. 2. NH3-TPD profiles for the four catalyst samples.
二、COVID-19口罩非催化热裂解
Fig. 3. Pyrolytic product yield obtained from the mask as a function of temperature.
如图Fig. 3和Table S1所示，COVID-19口罩在550℃下达到油品最高收率（80.7%），油品的主要成分为C8-C46的烃类，且无芳烃的存在。
三、COVID-19口罩催化热裂解
COVID-19口罩催化热裂解的结果如Table 3所示，反应的结果，即BTEX的选择性，由两个因素控制：催化剂的孔径与酸性位。
对于催化剂的孔径：由于在该反应过程中，原料首先发生非催化的热裂解反应生成了中间物--大量的含支链的烃类，而一般而言，含支链的烃类分子比直连烃类分子的体积要大，所以这些中间物分子需要较大的催化剂孔径才能进入分子筛内部遇到催化位点转化为BTEX。HZSM-5的孔径最小，所以其参与反应后产物中异构烃类物质最多；与之相反，HY和HBeta拥有较大孔径，所以异构烃类物质较少。上述情况很好的说明了大孔径有助于中间物分子在催化剂中的传质，最终达到BTEX的高选择性。
对于催化剂的酸性：由Al-MCM-41参与反应的数据可以看出，虽然Al-MCM-41的孔径最大，但由于其酸性位太少，所以BTEX的选择性较低。与此同时，由于酸性位太少，无法充分完成裂化反应，所以产物中还有大量含氧物质。
此外，由HBeta参与的两组实验可以看出，催化剂的用量也是重要的影响因素。在HBeta用量较少的实验组中，BTEX的选择性较低且含氧物质选择性较高，从侧面说明了催化剂孔径大小与酸性的影响。
展望
1.提高BTEX的选择性可以从分子筛催化剂的孔径大小和酸性两方面着手，以后可以着重研究催化剂的稳定性。
2.催化热裂解时，可以考查外加微波及真空条件对BTEX选择性的影响。
3.COVID-19口罩的气化反应可以进行更深一步的研究以达到工业化的目标。
结论
1.首次研究了COVID-19口罩催化热裂解制备高附加值芳烃（BTEX）。
2.无催化剂存在时，生成了大量含支链的烃类但无芳烃生成；有合适的分子筛催化剂存在时，可高选择性的制备芳烃。
3.在催化热裂解过程中，分子筛催化剂的孔径大小及酸量高低具备协同效应。一般来说，孔径越大/酸量越高，BTEX的选择性越高；反之亦然。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.envpol.2021.117060
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