塑料基医疗废物的热解处理与高值化利用研究进展

Research Progress on Pyrolysis Treatment and High-value Utilization of Plastic-based Medical Waste

摘要

医疗废物中含有大量聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）等塑料组分，热解技术能够有效解决医传统处置医疗废物产生的二噁英污染、氯腐蚀及资源利用率低等问题。文章系统综述分段热解机理、污染物（酸性气体、重金属、二噁英等）控制方法以及模块化、CO₂辅助催化、智能控制等系统优化路径。通过优化热解工艺可实现病原体彻底灭活，二噁英排放量低于0.1 ng TEQ/Nm³，热解油热值达28~45 MJ/kg，具备燃料与吸附材料潜力。同时，模块化系统的灵活运用可适应不同规模与地域需求。聚焦医疗类塑料热解、智能化调控、产物高值化及区域适配模式推动塑料类医疗废物从“末端治理”向“资源循环”转型。

Abstract

Medical waste contains substantial amounts of plastic components such as polyvinyl chloride (PVC), polypropylene (PP), and polyethylene (PE). Pyrolysis technology effectively addressed the dioxin pollution, chlorine corrosion, and low resource utilization rates associated with traditional medical waste disposal methods. The paper systematically reviewed segmented pyrolysis mechanisms, pollutant (acidic gases, heavy metals, dioxins, etc.) control methods, and system optimization pathways including modularization, CO₂-assisted catalysis, and intelligent control. Through optimized pyrolysis processes, complete pathogen inactivation was achieved, dioxin emissions were reduced below 0.1 ng TEQ/Nm³, and pyrolysis oil calorific values reached 28~45 MJ/kg, demonstrating potential as both fuel and adsorption material. Meanwhile, the flexible application of modular systems accommodated varying scales and regional requirements. By focusing on pyrolysis of medical-grade plastics, intelligent regulation, product valorization, and region-adaptive models, this work facilitated the transition of plastic-based medical waste from "end-of-pipe treatment" to "resource recycling."

Graphical abstract

关键词

医疗废物 / 塑料热解 / 热解机理 / 资源高值化

Key words

Medical waste / Plastic pyrolysis / Pyrolysis mechanism / High-value utilization of resources

医疗废物中含有大量聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)等塑料组分，其处置是公共卫生与生态安全领域面临的重大挑战。我国医疗废物年产量增速超10%，处置压力日益凸显^[1]。针对这类废塑料，传统焚烧、填埋、高温灭菌技术存在二噁英产生、占地污染、污染物难去除等局限，在偏远地区和应急场景中尤为突出，已成为“无废城市”建设与可持续发展的系统性难题。在此背景下，医疗废物治理正从单一无害化处置转向“减量化、无害化、资源化”协同模式。热解技术因可控性强、排放低且能回收能源成为行业发展新趋势。通过缺氧分段热解可抑制二噁英生成并高效转化有机物，将废塑料转化为具有相应热值的燃料油^[2]。模块化设计适配城乡不同需求，为分布不均、成分复杂的塑料类废物处理提供新技术路径。

为了顺应行业资源化转型与技术升级需求，本研究聚焦含塑料医疗废物的高效热解资源化技术，着重研究混合塑料协同热解调控、产物高值化转化等核心问题。通过探究PVC脱Cl机制、优化PP/PE热解油品质、结合智能化控制系统实现废塑料无害化与资源提质，为构建多场景模块化医疗废物处置体系提供关键技术支撑，推动从“末端治理”向“资源循环”跨越。

1 塑料类医疗废物处置现状

1.1 基本特性

大量医疗废物以含Cl塑料为基质，其中塑料组分以PVC输液袋/管及PP、PE为主^[3]。这决定医疗废物中塑料类组分的理化性质主导其热解行为^[4]。PVC、PP和PE等塑料含有C、H和Cl等元素，具有一定热值^[5]。PVC元素组成为C 38%、H 4.8%、Cl 56%^[6]，热值为18~22 MJ/kg^[7]；PP、PE元素组成为C 85%、H 14%，热值为28~40 MJ/kg^[8]。这些塑料在热解过程中因组成和性质的差异，需要采取相应的处理和调控措施。

1.2 处置方式优缺点

针对含塑料医疗废物的处置问题，CHEN等^[9]研究表明，含Cl塑料在焚烧与降解过程中存在较高的二噁英生成风险，会带来长期的污染隐患。主要处置技术包括焚烧法、卫生填埋、高温灭菌、等离子体及热解法等。焚烧法二噁英排放风险高，适用于大型集中处置中心^[10]；卫生填埋投资低，常用于预处理后残渣的最终处置^[11]；高温灭菌运行成本低，但减容率仅约80%^[12]；等离子体技术减容率高，但成本高^[13]。与之相比，热解法可显著抑制二噁英生成，烟气量小，净化成本低，适用于混合医疗废物。

热解技术通过模块化设计实现规模弹性适配，大型热解厂适配城市集中处置，分布式设备覆盖县域需求，移动式装置解决偏远地区^[14]。相较于焚烧，热解在缺氧条件下烟气量减少50%以上，二噁英排放小于0.1 ng TEQ/Nm³，优于国家标准10倍^[15]。此外，塑料类废物含C、H比例高，热解可生成高热值产物(热解油热值28~40 MJ/kg)^[16]，热解炭(比表面积1 200~1 500 m²/g)可用于土壤修复或重金属吸附，实现资源化利用^[17]。热解技术凭借规模弹性、环保性、资源回收等优势，成为解决我国含塑料医疗废物处置痛点的关键技术。

2 塑料医疗废物热解原理与特性

2.1 热解机理与反应过程

热解是在无氧或低氧环境中通过加热使有机物发生化学分解的过程。表1为塑料医疗废物热解效应与产物生成路径。医疗废物中塑料组分热解主要分为三阶段：脱水阶段(100~250 ℃)处理生物组织水分；侧链断裂阶段(250~400 ℃)针对PVC脱Cl和纤维裂解；主链裂解阶段(400~600 ℃)是实现塑料能源回收的关键阶段。

2.2 单一组分热解特性

塑料类组分在热解过程中表现出显著差异。PVC输液管热解分为200~350 ℃脱HCl (失重率30%~50%)和400~500 ℃主链裂解两阶段，残炭率为5%~15%，最大失重率对应的温度约为600 ℃，热解油热值为25~30 MJ/kg，含Cl，腐蚀性强^[24]。PP注射器在350~500 ℃单阶段裂解，450 ℃时达到最大失重，残炭率小于5%，热解油热值为40~45 MJ/kg^[25]。含塑料类手套热解分为284~501 ℃交联缩聚和613~701 ℃脱链解聚两阶段，460 ℃时达到最大失重率^[26]，气体产物含体积分数5%~10%的H₂、体积分数15%~25%的CH₄及C₂~C₄烃类，热值约为40 MJ/m^3[24]。纤维类中的PP熔喷层在350~450 ℃剧烈失重，棉纱布在250~400 ℃发生主热解，残炭率为15%~25%^[27]。

2.3 混合组分协同效应

在医疗废物混合热解中，PVC与其他组分之间存在显著的催化协同效应。PVC热解释放的HCl可促进其他组分降解，加速生物质脱水反应，使失重峰温度提前20~40 ℃^[28]。与含钙添加剂(如导尿管中CaCO₃)反应生成CaCl₂，可降低脱Cl温度，减少二噁英生成风险。催化蛋白质类废物肽键断裂，可降低活化能15%~30%^[29]。针对PVC与纤维素体系，建立多组分相互作用模型“脱HCl-脱水耦合”，引入相互催化因子(γ)(γ=0.35时相对误差仅1.03%)，有效描述HCl对纤维素脱水的催化作用^[28]。表2为塑料类及其混合组分医疗废物热解特性对比。

3 热解过程污染物控制技术

潘贵英等^[33]提出，在热解过程中含塑料医疗废物产生的污染物主要包括酸性气体(如HCl)、重金属、多环芳烃(PAHs)及二噁英，需要采取有效防控措施。

3.1 酸性气体控制

PVC等含Cl塑料热解时通过两阶段释放HCl：第一阶段，C—Cl键断裂释放HCl并生成苯等芳香族化合物^[34]；第二阶段，热解生成小分子烃类及HCl等污染物。针对HCl的脱除，现有技术主要分为干法和湿法^[35]。湿法脱酸是利用碱性吸收液与酸性烟气接触，通过中和反应脱除酸性物质的技术。干法脱酸中，以CaO为吸收剂，在500~550 ℃的适宜温度下可实现高达98%的HCl脱除率^[36]。DAI等^[37]研究表明，在循环流化床中，CaO的脱Cl效率(77.5%~93.8%)通常优于CaCO₃ (74.3%~91.7%)。Fe₂O₃可吸附HCl并避免有机Cl生成，但其固Cl效果弱于CaO。YANG等^[38]利用集成生物乙醇工艺，将PVC热解产生的HCl用于生物质预处理，后续残渣在CO₂氛围下共热解可增产合成气并降低溴代污染物。

3.2 重金属抑制

医疗废物焚烧飞灰中重金属含量高，如Zn高达38 852.5 mg/kg，Cu为6 967.2 mg/kg。易挥发金属(Hg、Pb、As)富集于飞灰，小颗粒飞灰中Cd、Cr、Pb的富集趋势明显^[39]。李少林等^[40]以零价铁(ZVI)为还原剂，发现在pH值为4时，对Cu、Pb、Zn的去除效果最佳，反应12 h后浸出量最低。AL-MOHAIMEED等^[41]通过温热处理使飞灰熔融成玻璃体，重金属浸出毒性降至原飞灰的1/50~1/100，二噁英分解率超99%。生物合成的ZnO纳米颗粒对Cu²⁺去除率达96.76%，吸附容量达100 mg/g。

3.3 PAHs及二噁英防治

冯亚慧等^[42]研究表明，医疗废物焚烧导致约68%的PAHs污染，其危害包括呼吸系统损伤、神经毒性和肾脏损伤。同时，含Cl塑料燃烧不充分会产生二噁英，其毒性当量可达生活垃圾焚烧的3~5倍。通过优化燃烧，维持炉膛温度大于1 100 ℃、烟气停留时间大于2 s，可使多氯代二苯并-对-二噁英和多氯代二苯并呋喃(PCDD/Fs)初级分解率达99.8%，喷入活性炭(比表面积大于1 000 m²/g)对PCDD/Fs的吸附效率达95%^[43]。薛珊等^[44]通过微生物合成纳米Fe/Zn氧化物，在300 ℃下对多氯代二苯并呋喃(PCDFs)的降解率大于85%，高级氧化技术可高效降解PAHs。吴涓等^[45]采用乳白耙齿菌分泌的锰过氧化物酶对PAHs进行选择性降解，研究表明高温处理(300~500 ℃热脱附)可使PAHs分解，浸出毒性显著降低，还能针对性破坏二噁英的氯代芳香环结构，避免其低温再合成风险。

4 热解系统技术革新与系统优化

KIM等^[46]研究表明，热解技术的优化通过在缺氧或惰性气氛中将有机物加热分解为气、液、固三相产物，为含塑料医疗废物资源化提供新路径。

4.1 新型热解反应器设计

新型反应器可解决传热效率低、产物选择性差、积碳严重及能耗高等问题。图1为新型两级旋流热解反应器^[47]。两级旋流热解反应器第一级(300~400 ℃)利用离心力分离金属杂质(脱除率大于99%)，第二级(550~700 ℃)将挥发分停留时间延长至8~12 s，规避二噁英合成温度窗口^[47]。CO₂辅助催化热解在Ni/CeO₂催化剂作用下，可燃气体产率提升146%，同时减少多环芳烃生成，每处理1 t医疗废物净消耗0.8 t CO₂^[48]。移动式模块化装置集成热解-尾气净化-能源回收单元，单日处理能力达0.5~2.0 t。在西藏的试点进行研究，结果表明其运营成本比集中处理降低40%^[49]。

4.2 智能控制与数字化管理

物联网(IoT)与机器学习(ML)技术实现热解过程的自适应优化，提高处理设施的智能化水平和运行可靠性，是医疗废物领域数字化转型与智能化升级的典型应用^[50]。XIAO等^[51]通过在线监测热解气组分(H₂、CH₄、CO)，动态调节温度场与物料停留时间。当HCl超限时，自动增加CaO投加量并降低升温速率，确保酸性气体脱除率大于95%。叶秉高等^[52]开发的射频识别(RFID)全流程追溯系统通过电子标签绑定医疗废物容器，实现从收集、运输到销毁的闭环监管。图2为重庆试点的RFID全流程追溯系统^[53]。重庆试点使医疗废物非法流失率降至0.02%，管理成本降低30%。

4.3 技术经济与环境效益

催化热解技术可使塑料类注射器液态燃料产率达83%，其中C10~C20烃类占比超75%，可作为柴油替代燃料。高温干热处理(170~210 ℃)可实现微生物灭活效率大于99.9%，为热解提供安全预处理^[54]。热解项目通过处理服务费(6 000~8 000元/t)、资源化产品(热解油3 500元/t，热解气发电上网电价0.65元/kWh)及政策补贴，可构建多元收益体系。每吨热解比焚烧减少0.8~1.2 t CO₂当量排放，按50元/t碳价计算，可增收40~60元/t^[25]。热解气化联合工艺使二噁英毒性浓度降至0.008 ng TEQ/m³，仅为国标限值的8%^[55]。图3为塑料医疗废物热解技术资源循环^[56]。在进行医疗废物(如塑料注射器)热解时，添加5% Ca可高效脱Cl，HCl排放为27.8 mg/m³(远低于60 mg/m³标准)。450 ℃热解产83%液态油，热值为42 MJ/kg，可替代化石燃料。等离子体热解的玻璃化炉渣重金属浸出率小于0.1%，实现固废资源化。

5 多元化应用场景

5.1 应急塑料废物处置

近年来，含PP熔喷层口罩等应急塑料废物激增，热解技术凭借快速部署与高效转化优势，成为应急处置的核心技术。热解技术在应急医疗废物处置中表现突出。KANTOVA等^[57]研究表明，二级过滤式口罩(FFP2)在450 ℃下热解生成C10~C20烷烃和芳烃，二者占比82%，液体产物产率78%，热值为45.9 MJ/kg，接近汽油水平。该研究采用分子筛催化剂吸附裂解口罩热解产生的环状硅氧烷，可精确控制硅氧烷残留。刘景友^[58]通过134 ℃预消毒(45 min)、450 ℃热解等流程，使HCl脱除率大于95%，二噁英排放小于0.008 ng TEQ/m³。

5.2 资源高值化利用路径

针对PVC、PP、PE等不同塑料组分，HARRIS等^[59]开发了定向热解油精制工艺，PVC热解油经脱Cl、脱S处理后，可用于工业锅炉燃烧或化工原料。PP/PE热解油经蒸馏、加氢精制后，获得83%的液体产物，其馏分分布与柴油高度匹配，可作为柴油或航空燃料替代物。BURDOVÁ等^[60]研究发现，塑料热解炭(尤其是PP/PE热解炭)比表面积超过1 000 m²/g，孔容结构优化，对医院废水中阿托品(AT)、磺胺甲噁唑(SMX)等药物的吸附率大于90%，可用于医疗废水处理。改性后的热解炭还可作为土壤改良剂，吸附土壤中的重金属与有机污染物。

5.3 区域化推广模式

根据各区域塑料类医疗废物产生规模、地理环境与资源条件，制定差异化的推广模式。针对交通不便、电网覆盖弱、日处理量小于1 t的区域(如高原、牧区)，采用风光储供电的移动热解车进行分布式处理，服务半径小于50 km^[61]。西藏那曲市依托储能电站供电，热解车适应高海拔环境，使塑料类医疗废物减容率大于95%，每吨处理成本1 200元，较跨县集中处理低40%^[62]。

CHANG等^[63]面向医疗机构密集、日处理量5~10 t的中型城市，采用“社会化收运+集约化处置”模式，通过第三方转运和小程序溯源实现48 h处置闭环。MARCADET等^[64]在空间紧张、小型诊所分散的高密度城区，推行源头分类优化，引导医疗机构将PVC、PP/PE等塑料废物单独分类收集。在空闲位置设置智能收集点，满足医疗机构15 min内投放需求，利用GPS监控防遗撒。采用“分布式预处理-集中式深度转化”模式，将预处理后的塑料废物运输至集中热解中心，提升转化效率与产物价值。

6 结论

本文针对PVC、PP、PE等塑料基医疗废物处置难题，综述热解技术，旨在破解传统工艺中二噁英污染、氯腐蚀及资源利用率低等核心痛点，为其“无害化-资源化”协同处置提供技术支撑。在技术原理与特性方面，热解遵循“脱水-侧链断裂-主链裂解”三阶段规律，产物展现出突出的高值化潜力，可作为燃料替代物、土壤修复材料或重金属吸附剂。污染物控制层面，针对热解产生的HCl、重金属、多环芳烃及二噁英等，布局多元化防控体系，脱酸及污染气体排放均显著优于国家标准。系统优化与应用推广方面，新型两级旋流反应器解决传热效率低、积碳严重等工程难题。IoT与RFID追溯系统实现了热解过程的智能控制与全流程监管。模块化设计使热解技术可适配从偏远地区移动式处置到城市集中式处理的不同规模需求。

综上所述，塑料基医疗废物热解技术兼具环保性、资源回收性与规模适应性，突破了传统技术瓶颈。未来随着催化技术、智能控制与区域化推广模式的持续完善，该技术将为塑料类医疗废物的处置提供新思路，为生态环境保护与资源循环利用提供重要支撑。

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基金资助

西藏日喀则市科技项目(RKZ2024ZY-05)

西藏大学研究生“高水平人才培养计划”项目(2026-GSP-S038)