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化學(xué)回收專利數(shù)量超機(jī)械回收，熱解成大熱點

2025-10-10 11:09:18廢塑料新觀察閱讀量：3077 我要評論


　　廢塑料化學(xué)回收是指通過化學(xué)或熱過程將塑料聚合物分解成單體、原料或燃料的一套技術(shù)，與傳統(tǒng)的機(jī)械回收相比。這些創(chuàng)新對于管理不適合機(jī)械再加工的塑料廢物(例如混合或受污染的塑料)以及創(chuàng)建循環(huán)價值鏈至關(guān)重要。專利為我們提供了深入了解這一迅速演變領(lǐng)域的窗口，通過跟蹤專利申請可以揭示哪些技術(shù)正在興起、誰是領(lǐng)先的創(chuàng)新者及全球轉(zhuǎn)移的活動路徑。
 
　　全球?qū)＠暾堏厔?/strong>
 
　　在1975年至2025年間，塑料廢物管理領(lǐng)域近14000項發(fā)明提交了專利，從1990年到2025年專利申請活動增加了18倍。這一增長率比所有技術(shù)領(lǐng)域的平均水平快四倍多。自2010年代中期以來的過去5-10年中，這種增長尤為明顯，反映了監(jiān)管壓力的加大、公眾對塑料污染的擔(dān)憂以及行業(yè)對可持續(xù)性的承諾。
 
　　歷史上，機(jī)械回收(通過研磨、熔化、再顆?；任锢矸椒ㄔ偌庸に芰?在塑料回收專利活動中占主導(dǎo)地位。不過近年來化學(xué)回收專利數(shù)量激增，并開始超越機(jī)械方法。到2020年代初，熱解和其他化學(xué)工藝的專利申請數(shù)量超過了機(jī)械回收。事實上，熱解在2020年后成為專利數(shù)量最多的單一技術(shù)領(lǐng)域，而化學(xué)解聚(化學(xué)解聚)上升為第三大技術(shù)領(lǐng)域(僅次于熱解和機(jī)械回收)。這反映了向能夠處理混合或無法通過機(jī)械回收的塑料并生產(chǎn)更高價值輸出的先進(jìn)回收技術(shù)的轉(zhuǎn)變。機(jī)械回收仍然重要，但化學(xué)方法的增長是過去十年的決定性趨勢。
 
　　在過去的三十年中，歐洲在塑料回收創(chuàng)新方面一直保持領(lǐng)先地位。歐洲實體約占1990-2025年塑料廢物管理專利活動的40%以上。主要的歐洲經(jīng)濟(jì)體是最大的貢獻(xiàn)者，德國、法國、意大利和英國在創(chuàng)新方面一直走在前列。歐洲專利申請的比例在1990年代中期高達(dá)約62%，盡管隨著其他地區(qū)的崛起這一比例有所下降，但歐洲仍然是回收領(lǐng)域研發(fā)的全球中心。歐洲專利局的一項研究證實了歐洲的突出地位，指出其在塑料廢物管理創(chuàng)新方面一直保持領(lǐng)先地位，這一領(lǐng)導(dǎo)地位得到了歐洲工業(yè)和學(xué)術(shù)界強(qiáng)大活動的支持。
 
　　自2000年代以來，亞太地區(qū)和北美在塑料回收創(chuàng)新中的參與度顯著提高。日本、韓國和中國的專利申請在2015年之后增長尤為迅速。亞洲現(xiàn)在與北美大致相當(dāng)，各自貢獻(xiàn)了該領(lǐng)域全球?qū)＠寮s30%。在1990年代初期，歐洲和美國主導(dǎo)了專利申請，但到2020年代，這一格局更加全球平衡：歐洲約占40%，亞洲約占30%，北美約占30%。在亞洲內(nèi)部，日本是早期參與者，而中國近年來專利申請數(shù)量激增。值得注意的是，許多中國專利僅在國內(nèi)申請該領(lǐng)域只有約5%的后來在國際上繼續(xù)申請，這表明盡管中國的專利數(shù)量龐大，但其國際影響力相對較低。盡管如此，中國在化學(xué)回收領(lǐng)域的國內(nèi)創(chuàng)新仍然顯著。韓國成為新的熱點，韓國公司的專利申請在2021年至2022年間翻了一番，這一激增歸因于2020年韓國政府的倡議，目標(biāo)是到2025年將塑料廢物減少20%，這可能刺激了研發(fā)和專利申請，這是政策如何推動創(chuàng)新的一個顯著例子。在北美，美國仍然是化學(xué)回收專利的主要來源(由伊士曼、陶氏等公司主導(dǎo))
 
　　關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域
 
　　化學(xué)回收包括多種技術(shù)，這些技術(shù)通過化學(xué)變化將塑料廢物轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品(單體、化學(xué)品、燃料)。
 
　　熱解(熱分解)：熱解涉及在無氧環(huán)境下加熱廢塑料，以將長聚合物鏈分解為較短的碳?xì)浠衔锓肿?油、氣、蠟、炭)。這是化學(xué)回收創(chuàng)新中占主導(dǎo)地位的技術(shù)。與熱解相關(guān)的專利申請數(shù)量超過了所有其他方法，使其成為化學(xué)回收研發(fā)最活躍的領(lǐng)域。熱解可以處理混合塑料流(尤其是聚烯烴如PE和PP)，生產(chǎn)出的油可以精煉為燃料或化學(xué)原料。許多公司和研究人員正在申請熱解反應(yīng)器、催化劑和工藝集成的改進(jìn)專利。例如，伊士曼化學(xué)公司的一項專利申請描述了一種集成的廢塑料熱解工藝和下游裂解為烯烴的過程。過去5-10年中熱解專利的激增，在2020年后甚至超過了傳統(tǒng)機(jī)械回收的專利數(shù)量。熱解具有吸引力，因為它可以將混合或受污染的塑料(這些塑料難以通過機(jī)械回收)轉(zhuǎn)化為有用的輸出，如熱解油(可用作石化廠的原料替代品)。產(chǎn)品質(zhì)量(例如，當(dāng)PVC或PET存在時，從熱解油中去除雜原子)等挑戰(zhàn)是創(chuàng)新的活躍領(lǐng)域。
 
　　化學(xué)解聚：解聚過程使用化學(xué)反應(yīng)(通常與催化劑或試劑一起)將聚合物分解為單體或低聚物。例如，水解、醇解、甲醇解、胺解等，通常應(yīng)用于縮合聚合物如PET或聚氨酯。這一類別是化學(xué)回收的第二大技術(shù)分支，專利活動顯著增長。許多新創(chuàng)新集中在通過催化解聚將塑料分解為單體，以實現(xiàn)閉環(huán)回收。一項報告指出，金屬催化解聚是一個有前景的新興領(lǐng)域，盡管與熱解相比專利數(shù)量仍然較少，但近年來有所上升。例如，加州大學(xué)伯克利分校的研究人員開發(fā)了一種有效的催化解聚聚乙烯和聚丙烯的工藝，使用價格合理的固體催化劑。這些工藝旨在克服早期限制(例如昂貴的可溶性催化劑)并使解聚更具商業(yè)可行性。PET的溶劑解聚(使用溶劑和催化劑將PET解聚為單體如BHET或DMT)一直是一個特別活躍的子領(lǐng)域，由PET單體的價值推動。在專利中，化學(xué)解聚/解聚現(xiàn)在在數(shù)量上僅次于熱解，這表明在發(fā)明化學(xué)路徑以回收單體方面勢頭強(qiáng)勁。值得注意的是，酶/生物解聚可以視為一個特殊情況，通過生物催化劑實現(xiàn)相同目標(biāo)。
 
　　氣化：氣化涉及在高溫(通常與受控的氧氣或蒸汽反應(yīng))下將廢塑料轉(zhuǎn)化為合成氣。合成氣隨后可用于合成新的化學(xué)品或燃料(如甲醇或費托液體)。氣化在廢物轉(zhuǎn)化為能源方面是一項更成熟的技術(shù)，但與熱解相比，在塑料領(lǐng)域的專利關(guān)注度較少。它通常是化學(xué)回收創(chuàng)新的一個較小部分。一些公司(例如三菱)探索了塑料廢物的氣化，但高能量輸入和合成氣凈化等問題限制了其在塑料領(lǐng)域的應(yīng)用。盡管如此，氣化專利確實存在，通常集中在系統(tǒng)改進(jìn)或?qū)⑺芰吓c其他廢物原料結(jié)合以生產(chǎn)合成氣。
 
　　水熱和超臨界水工藝：水熱處理使用高溫和高壓下的水(通常是超臨界水，溫度>374°C，壓力>221 bar)分解塑料。這種方法可以在不需要催化劑的情況下，在水介質(zhì)中分解聚合物，根據(jù)條件不同，生成燃料或單體。歷史上，超臨界水在塑料回收方面的興趣導(dǎo)致了2000-2010年期間的一波專利申請，隨后有所減少。2022年，超臨界水工藝的新專利申請數(shù)量達(dá)到了自2009年以來的最高水平。這表明創(chuàng)新有所復(fù)蘇，受到如英國Mura Technology的推動，該公司已為其超臨界水工藝申請了專利，用于將混合塑料廢物轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔镉?。水熱方法吸引人之處在于水可以作為溶?反應(yīng)物，在比熱解更溫和的條件下分解塑料(包括含雜原子的塑料)。該領(lǐng)域的專利集中在反應(yīng)器設(shè)計、優(yōu)化分解的工藝條件以及將超臨界水裝置集成到回收系統(tǒng)中的改進(jìn)。
 
　　生物和酶回收：生物降解和酶解聚涉及使用微生物或分離酶將塑料降解為較小分子。這種方法特別適用于聚酯(如PET)和聚酰胺，某些酶可以解聚這些材料。塑料廢物管理技術(shù)領(lǐng)域多來源于大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)，其中歐洲的參與度特別高。重要的是，大學(xué)往往專注于化學(xué)回收(而非機(jī)械回收)，大約三分之二的大學(xué)專利申請涉及回收工藝(而非簡單回收)，特別是先進(jìn)的化學(xué)/生物方法，如化學(xué)解聚、熱解或酶解聚。換句話說，學(xué)術(shù)界正在推動催化和生物基回收方法的前沿。例如，加州大學(xué)伯克利分校申請了關(guān)于聚烯烴催化解聚的專利，韓國科學(xué)技術(shù)院申請了關(guān)于新型回收催化劑的專利，以及各種研究機(jī)構(gòu)申請了關(guān)于工程酶用于聚合物降解的專利。政府研究實驗室和機(jī)構(gòu)也有貢獻(xiàn)，例如，在美國，能源部國家實驗室申請了將塑料轉(zhuǎn)化為燃料的工藝專利。通常，大學(xué)與公司合作或成立衍生公司(例如，Carbios從法國學(xué)術(shù)研究中分離出來)以商業(yè)化其創(chuàng)新成果。專利系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示，初創(chuàng)公司和大學(xué)衍生公司正在成為重要參與者，僅在歐洲，過去十年中就有超過80家初創(chuàng)公司和60多所大學(xué)申請了與塑料回收相關(guān)的專利。
 
　　主要目標(biāo)塑料類型
 
　　從回收的角度來看，并非所有塑料都是一樣的，不同的聚合物需要不同的方法。專利趨勢表明，創(chuàng)新者主要針對幾種主要塑料樹脂進(jìn)行化學(xué)回收。
 
　　聚丙烯(PP)：聚丙烯(一種廣泛用于包裝、容器、薄膜等的聚烯烴)一直是化學(xué)回收的主要目標(biāo)之一。PP相關(guān)的
 
　　聚丙烯(PP)：聚丙創(chuàng)新在專利申請中領(lǐng)先，在整個2010年代，PP是化學(xué)回收專利中提到最多的塑料。熱解是PP的常見方法，還有催化裂化方法可以將PP分解為丙烯或燃料。PP在廢物流中的普遍性和其在機(jī)械過程中易降解的特性使其成為化學(xué)回收解決方案的主要候選。許多來自石油和化學(xué)公司(例如雪佛龍關(guān)于聚乙烯/PP裂化的專利)和大學(xué)的專利解決了PP轉(zhuǎn)化問題。盡管PP仍然是一個關(guān)鍵焦點，但其在新專利活動中的相對份額最近被PVC和PET等塑料超越，表明正在多樣化。
 
　　聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)：PET(通常用于瓶裝和聚酯纖維)在化學(xué)回收創(chuàng)新中具有顯著的勢頭。在最新數(shù)據(jù)中，PET相關(guān)的專利申請增長速度超過大多數(shù)其他塑料，PET成為新化學(xué)回收專利中排名第二的塑料(超過PP)。PET可以通過解聚(例如通過醇解、甲醇解或酶水解)分解為單體如BHET、DMT或乙二醇，這些單體可以用于制造新的PET。因此，許多專利旨在實現(xiàn)PET的閉環(huán)回收。例如，Carbios在酶促PET分解方面的專利是該領(lǐng)域的一個關(guān)鍵發(fā)展。其他公司(如伊士曼、杜邦等)持有將PET廢物轉(zhuǎn)化為單體或其他產(chǎn)品(如伊士曼的甲醇解技術(shù)用于地毯/聚酯回收)的化學(xué)工藝專利。PET的創(chuàng)新勢頭很高，這反映了PET的回收價值(高質(zhì)量的再生單體)以及外部驅(qū)動因素，如飲料行業(yè)承諾使用再生PET。預(yù)計PET將繼續(xù)成為專利活動的熱點，特別是隨著新的酶促和催化解聚方法的推出。
 
　　聚氯乙烯(PVC)：PVC(用于管道、乙烯基產(chǎn)品、包裝等)由于其高含氯量和穩(wěn)定劑，傳統(tǒng)上非常難以回收。值得注意的是，PVC已成為近期化學(xué)回收創(chuàng)新的主要焦點，專利申請加速增長。事實上，PVC超過了所有其他塑料，成為與最多新化學(xué)回收專利申請相關(guān)的聚合物。創(chuàng)新者針對PVC是因為其機(jī)械回收有限(會降解并釋放HCl)，因此需要化學(xué)方法來處理PVC廢料。該領(lǐng)域的專利包括處理或中和PVC釋放的HCl(防止腐蝕和毒素形成)的過程，以及將PVC轉(zhuǎn)化為有用輸出的方法(例如，通過添加物進(jìn)行PVC的熱解以捕獲氯，或通過化學(xué)解聚去除氯并生成碳?xì)浠衔?。PVC在專利文獻(xiàn)中的增長勢頭可能既反映了對PVC處置環(huán)境問題的應(yīng)對，也反映了處理其化學(xué)挑戰(zhàn)的技術(shù)進(jìn)步。大學(xué)和公司(如索爾維在PVDC/PVC回收方面的工作)正在積極申請PVC解決方案的專利，鑒于PVC在建筑和醫(yī)療廢物中的廣泛使用，這一創(chuàng)新的激增是一個關(guān)鍵的發(fā)展。
 
　　聚乙烯(PE)：聚乙烯(包括HDPE和LDPE)是產(chǎn)量最大的塑料(例如用于薄膜、包裝、容器)。它在化學(xué)上與聚丙烯相似，通常通過熱解在回收工作中進(jìn)行處理。許多熱解專利涵蓋了混合聚烯烴流(PE + PP)，旨在將它們轉(zhuǎn)化為油或中間碳?xì)浠衔?。然而，PE在按聚合物劃分的專利分析中并不突出，可能是因為發(fā)明通常不會單獨針對PE，它們通常將聚烯烴作為整體處理。盡管如此，聚乙烯的催化裂化和熱降解方法在專利文獻(xiàn)中得到了很好的體現(xiàn)(例如，SABIC和巴斯夫的幾項專利針對聚烯烴熱解)。
 
　　聚苯乙烯(PS)及其他：聚苯乙烯(例如EPS泡沫、包裝、電子產(chǎn)品外殼)及其他塑料如聚氨酯(PUR)、聚碳酸酯(PC)、聚酰胺(PA)等，各自具有小眾的專利活動。聚苯乙烯可以通過熱或化學(xué)方法解聚回苯乙烯單體；Agilyx(及其合作伙伴)等公司已申請此類工藝的專利。雖然專注于PS的專利數(shù)量少于三大主要塑料(PP、PET、PVC)，但針對PS回收的創(chuàng)新(特別是處理泡沫廢料)一直有穩(wěn)定的小幅度增長。聚氨酯(例如泡沫)是專利使用化學(xué)解聚(如醇解或胺解將泡沫分解為多元醇，科思創(chuàng)和巴斯夫在此領(lǐng)域擁有專利)的目標(biāo)。聚碳酸酯和丙烯酸樹脂在解聚為其單體(雙酚A、甲基丙烯酸甲酯等)方面也有專利活動。橡膠(輪胎)，雖然不是塑料，但作為相關(guān)聚合物廢料，普利司通和米其林等公司已申請熱解和脫硫方法的專利，通常歸類于這一領(lǐng)域。近年來，針對持久性聚合物污染物(如微/納米塑料甚至PFAS)的專利出現(xiàn)激增，盡管這些通常歸類于廢物處理而非傳統(tǒng)回收，這表明創(chuàng)新范圍正在擴(kuò)展以涵蓋更廣泛的塑料廢物挑戰(zhàn)。
 
　　消息來源：高峰知產(chǎn)
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