西安石油大学张洁教授团队《J. Clean. Prod.》：新冠疫情下聚丙烯基医疗废弃物的资源化利用

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西安石油大学张洁教授团队在聚丙烯基医疗废弃物的资源化利用方面取得新进展，探索了利用废弃一次性口罩制备原油流动性改进剂的可行性，相关成果以标题为 “Resource utilization of medical waste under COVID-19: Waste mask used as crude oil fluidity improver”发表在Journal of Cleaner Production（IF=11.072）期刊上，西安石油大学硕士研究生王棚为论文第一作者。

在可持续发展和实现“双碳”目标的发展背景推动下，各行各业越来越重视环保问题。一些废弃物因其化学成分而导致处理成本高、污染环境等问题，若根据它们的特定化学组成进行开发利用，将有效解决上述问题，并可带来经济效益。该课题组前期基于废弃物资源化利用的研究工作取得了一定的成果。废弃泡沫塑料中的聚苯乙烯（Polystyrene）、废弃有机玻璃中的聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate），结构如图1所示，与现用原油流动性改进剂有类似结构，因此可作为原油流动性改进剂的基础原料，将其改性后加入原油后可以可以起到降粘和降凝作用（Polymers, 2021, 13(15): 2505; Pet.Chem., 2018, 58(1), 85-88; J. Petro. Sci. Eng., 2018, 165, 1049-1053，论文链接：https://doi.org/10.3390/polym13152505；10.1134/S0965544118010085；https://doi.org/10.1016/j.petrol.2017.12.041）。

图1一些废弃塑料的和常见的原油流动性改进剂的结构

该课题组最新的课题聚焦新冠疫情的特殊背景下，由聚烯烃类材料制成的废弃一次性口罩等医疗废弃物剧增，因其难降解而造成环境污染等问题，如图2所示。我们注意到，此类材料主要成分为聚丙烯（Polypropylene）等，与原油流动性改进剂结构类似（如聚丙烯酸酯、聚羧酸酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物），于是尝试开展“基于聚丙烯医疗废弃物的原油流动性改进剂”的研究。

图2废弃口罩的造成的环境污染

与常规处理方式（如焚烧和填埋）相比，为医疗废弃物资源化利用提供了新思路。如图3所示，原油通过开采、集输进入炼油厂加工为化工原料，然后化工厂由聚丙烯原料生产熔喷布、无纺布，再由口罩厂进行加工成合格的产品，最后进入消费者人群当中，这是废弃口罩的“前半生”。而其“后半生“通常以填满、焚烧被处理，造成资源浪费、污染环境等问题。通过该课题提出的资源化利用方案，废弃口罩实现了“变废为宝”，可应用于油田领域的原油流动性改进，可以实现资源的循环利用。

图3废弃口罩的污染和危害及其资源化利用示意图

将废弃口罩依次拆分，选择适当的溶剂在加热条件下进行充分溶解和改性，制备出原油流动性改进剂。通过不同类型的原油进行降粘降凝效果评价。其中，基于中间层材料所制备的化学品对于稠油的降粘率最高可达81%，对于高凝油的降凝幅度最高可达8.3℃。

通过微观蜡晶微观形貌分析和DSC分析，探讨了作用机理。原油饱和烃组分的蜡晶呈现聚集网络状结构，蜡晶颗粒排列紧凑。而加剂后的蜡晶分散度增加，蜡晶生长受到抑制，如图5所示。

图5加剂前后的微观蜡晶形貌

其可能的作用机理如图6所示。聚丙烯与原油中蜡质通过共晶、吸附等相互作用将蜡晶分散或者扭曲晶型，使石蜡析出之后结构松散不易形成网络结构，从而降低原油凝点和在低温区的粘度。

图6聚丙烯与原油中蜡质的相互作用

近年来，新冠疫情起伏不定，防控管理日渐常态化，此类废弃物合理处理是亟待解决的问题。为了进一步使落实该课题的应用可行性，对工艺合理放大，进行效益分析，探讨其可行性，成本计算如下所示：

C—总成本，元/吨；M_o—每吨产品含有的溶剂的比例，0.65；C_o—溶剂的价格，元/吨；M_pp—每吨产品含有的聚丙烯的比例，0.35；C_pp—每吨聚丙烯废弃物总的成本，元/吨；C₂—运输成本，元/吨；C₃—加工成本，元/吨；C₄—包装成本，元/吨；C₁—消杀成本，元/吨。

C_e—工业用电价格，0.725 元/kW∙h；Q—聚丙烯废弃物加热至60℃的电能消耗，kW∙h；η—电能转化为热能的转化率，%；c—聚丙烯材料的比热容，1.9 J/g∙℃；m—聚丙烯废弃物处理量，g；ΔT—加热过程中温度的变化量，℃。

对于废弃物的预处理采用高温杀灭病毒，以新冠病毒为例，病毒在高温处理（大于56℃，30min）和医用酒精处理后即可被杀灭，通过材料的比热容可衡算出加热过程的能耗，进而换成消杀处理成本。从室温（25℃）加热至60℃，消杀处理所需热量为66500 kJ/吨。假设功热转化率为80%，消耗的电能可以计算为23.09 kW∙h/吨，进而得出加热消杀过程成本为16.74元/吨。而不具有传染源时的处理可以省去该步骤。

其次是运输成本，实际上医疗废弃物是由专门的部门负责运输转移，在该课题中也对城市、社区等近距离输送做了合理预估。加工、包装等过程参照化工公司的标准，进行合理预估。最后，综合溶剂成本和消杀、运输、加工、包装成本，合理预估总的成本仅为4533元/吨，比市售同类型的高分子降粘剂价格低（比如商品级EVA，30000元/吨），甚至比一些工业级表面活性剂的价格低（如十八烷基三甲基氯化铵，17000元/吨；工业级聚乙二醇6000，10800元/吨；工业级十二烷基硫酸钠，18000元/吨），因此具有一定的竞争优势，同时有望带动其他环保产业的发展。

基于该课题的研究工作，已经先后获得第十四届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛三等奖、第九届中国大学生高分子材料创新创业大赛二等奖。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.131903

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