面向全球塑料污染治理的重大需求，聚烯烃废弃物的高值转化已成为化学工程与环境科学交叉的研究前沿。要实现从“白色污染”向“化学品”的转变，关键之一在于在复杂废弃物组分中精准调控高分子链的断裂行为。然而，聚丙烯（PP）等聚烯烃塑料在热解过程中通常遵循随机断链的机制，产物多为碳数分布宽、成分复杂的混合物，难以直接用作精细化学品原料。长期以来，该领域多依赖昂贵的催化剂设计或高能耗的后处理分离技术，缺乏高效的反应器工程平台。此外，对于组成不一、杂质复杂的实际废弃塑料，新方法能否突破“随机断链”的限制，具备实际有效性，一直是化学回收领域亟待研究和解决的问题。

  近日，西北工业大学化学与化工学院许振教授、潘富平教授团队联合山东师范大学张其坤教授、同济大学王韬副教授和东北财经大学许建军教授团队开发了一种基于潜热调控的分级降解策略，用于在聚烯烃降解过程中精准控制烃类产物的碳数范围与链长分布，并进行了系统的交叉学科研究。

  2025年11月25日相关工作以“Fractionated degradation and valorization of polypropylene waste into sulfonate surfactants”为题发表在《Nature Communications》上（Nature Commun.(2025)）。

  本工作首先通过设计一种独特的潜热分级降解反应器，利用不同链长烃类汽化潜热的差异，在反应过程中建立多级气液平衡（VLE），实现了PP向C₆–C₁₅及C₁₅–C₂₈ α-烯烃的尺寸选择性断裂（图1），获得了较传统方法更窄、更可控的产物分布。这一设计的核心在于构建了一个“回流与再降解”的闭环机制：当上升的混合蒸汽遇到底部的塔板时，较重的长链分子因潜热释放而优先冷凝成液体，并在重力作用下强制回流至底部的反应釜高温区。这些“不够短”的分子被迫再次剪切，直到它们被裂解得足够小，能够通过特定的温度区域为止。这种“不达标就回炉”的机制，成功打破了聚合物降解的随机性剪切和混合。同时源于塔板温度和回流的缘故，塔板上的产物会被多次筛选，以此剔除了“误入”的非目标产物。

图1反应器分级降解的示意图

  为了更准确地量化方法对分布宽度调节的可靠性，团队首次引入了矫正方差（Calibrated Variance, CV）这一统计学参数（CV = σ² / C_#n），用以替代高分子化学常用的PDI，从而更加敏锐的区分不同分子量区间样本的分布差异（图2）。实验与模拟结果表明，馏分温度与碳数呈准线性关系（图3），而馏分数通过汽液平衡与再降解机制逐步窄化链长分布（图3）。采用三级分反应器成功将α-烯烃CV控制在0.6以下，其CV显著优于低馏分数反应器及文献报道的体系（图2）。

图2分级降解反应器的产物分布以及不同方法的产物分布参数对比

  在使用从菏泽市采集的PP废塑料进行的10-kg级放大实验中，该方法仍表现出良好的降解控制能力与产物一致性（图3）。针对废塑料不同规格对产物的影响，研究团队也做了研究：对安徽省界首市某废塑料回收产业园（产能占全国15%）的案例研究发现，废塑料纯度呈现与产率和产物结构的相关性，与且可能存在地域性区别（图3）；而产物的元素组成则呈现出一定随机性。

图3 塔板温度分布，模拟结果验证与废塑料的分解反应

  随后，团队对聚烯烃塑料和废塑料分解后产生的链烃进行了升级，转化为表面活性剂，并进行了标准测试、工艺设计和保守的经济学评价（图4）。所得产物在发泡、去污、自然水体中的生物分解等方面均可媲美甚至优于商用品（十六烷基苯磺酸钠，十二烷基磺酸钠），该工艺也具备比传统技术更优的经济和环境效益。这意味着，基于反应器工程的热化学反应调控和反应过程设计能够实现减碳要求下废塑料的高价值转化和石油替代性生产。

图4 回收产物合成的表面活性剂的性能表征

  该研究从反应器工程热力学角度出发，建立了聚烯烃降解过程中链长分布的系统调控方法，突破了传统随机断链机制的限制，为塑料废弃物的定向转化与高值化回收提供了新的调控维度。

  论文信息：

  Fractionated degradation and valorization of polypropylene waste into sulfonate surfactants

Zhen Xu,* Yang Zhang, Tao Wang, Rong Yang, Hao Sun, Meiling Chen, Feng Liu, Jianjun Xu, Kai-Jie Chen, Qikun Zhang,* Fuping Pan*

  Published in Nature Communications

  https://doi.org/10.1038/s41467-025-66592-0