黃功勛 / 工研院材化所
聚苯乙烯是一種由苯乙烯聚合而成的塑膠，在各個領域被廣泛使用。物理回收包含機械法或溶劑法等，受廢棄物潔淨度影響，限制再生製品的應用價值。化學回收透過熱化學反應，能將廢棄聚苯乙烯重新轉化為具經濟價值的苯乙烯，並可循環應用至既有的塑橡膠產業，同時減少焚燒碳排與降低對石化原料的依賴。本文主要針對國內廢棄物流現況、熱裂解機制、國際製程技術以及相關發展活動進行資訊彙整。
【內文精選】
前 言
聚苯乙烯(Polystyrene; PS)是一種由苯乙烯單體(Styrene Monomer; SM)聚合而成的塑膠材料，擁有輕質、堅固、不易腐蝕、隔熱、電絕緣等特性，被廣泛應用於緩衝包裝、建築絕緣、玩具、電子設備外殼等。然而，PS不易被微生物分解，加上無妥善且符合經濟效益的回收技術，多採取焚燒處理，導致產生大量碳排以及有害物質；而未處理的垃圾會流入自然環境，長期堆積使生態系統造成極大負面衝擊。
為解決這些問題，研究人員開始尋求其他可持續利用方法。化學回收(Chemical Recycling)是透過化學反應將聚合物轉化為小分子的技術，以PS為例，可以透過高溫將其分解成以SM為主的產物。SM是塑膠、樹脂及橡膠等材料的重要原料(圖二)。透過化學回收不僅能減少因焚燒產生的大量碳排，更可將廢棄物轉化為具經濟價值的石化原料重新循環使用。將PS廢塑轉化成高純度SM亦是目前國際積極開發的製程技術。
圖二、苯乙烯單體材料應用產業鏈與國際需求量
聚苯乙烯化學回收苯乙烯單體技術
1. 裂解機制與產物
熱裂解(Pyrolysis)起始反應通常來自因高能斷鍵產生的自由基，並引發一連串的化學反應。揮發性物質持續釋放形成氣體、液體和蠟等產物，分布取決於原物料、反應條件和反應器類型，產物根據碳長度或相態可分為：氣體(C1–5)、液體(C6–20，石油腦或液態油)以及固體或高黏度液體(C21+)。典型塑膠熱裂解溫度為350~700˚C，提高溫度有助增加氣體產量。熱裂解是塑膠化學回收的主流技術之一，依加熱速率及強化方式(觸媒、蒸汽、真空、微波、等離子體、氧化等)進行分類，優點是能夠將塑膠轉化為低分子量的產品，這些物質可用作新化學品或塑膠產業的燃料或原料，製程碳排也比焚燒來得少。與物理回收最大的不同在於熱裂解能夠處理汙染程度較高的異質原料，並可獲得與石化製程來源相同規格的再生產品。
提高溫度雖然有助增進PS轉化程度，但熱力學優勢並無法確保一定能夠達到高度的裂解效果，可以搭配反應器設計、添加溶劑或適時移除產物等動力學手段，來驅動或影響反應平衡。最常見的方式是使用觸媒來克服初始反應能障，同時對於反應路徑與溫度也能起到一定的控制效果，進而調整對不同產物的選擇性。圖四彙整了在不同觸媒催化下的熱裂解主要產物差異。
圖四、觸媒對於聚苯乙烯熱裂解主要產物的影響
2. 熱裂解反應器
流體化床擁有高熱傳和質傳速率優勢，能夠產生大量輕烴和不凝氣體，但對物料有粒度要求，需要先將塑膠粉碎以獲得較小的原料顆粒。而高氣速操作容易讓產物夾帶炭顆粒，需要進行分離，此外，也可能伴隨因熔化塑膠發生結塊導致流化失效等狀況。英國RecyclingTechnologies的流化床熱裂系統，可在短時間內將PS裂解氣化，後經旋風分離器、靜電除塵、氣液冷凝等單元，產出含有SM的液態油；然而，為讓物料達流體化狀態，造成氣體耗用量偏高，且載氣須先行預熱，耗時耗能，該司於2024年因破產宣布解散。
管狀爐反應器價格便宜、操作簡單且維護要求低；只是固態原物料可能形成焦炭造成堵塞，加上脫除揮發成分所需的時間相對較長，反應器入口容易被熔化的塑膠堵塞而限制進料速度。因此管狀爐反應器常用於實驗室研究，但不適合工業應用。
國際化學回收技術主要開發者與商業活動
國際倡議組織Styrenics Circular Solution (SCS)將回收技術分為機械回收、溶解回收與化學回收三類，並委託研究機構Neue Materialien Bayreuth針對這三種回收技術所製成的食品接觸級再生PS (Recycled PS; rPS)與石化來源的原生PS (Virgin PS; vPS)進行生命週期評估(Life Cycle Assessment; LCA)。結果顯示，此三種rPS比vPS具有60~80%的減碳效益，同時能夠減少廢棄物產生與焚燒，具有發展可行性---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》450期，更多資料請見下方附檔。