采用脉冲加热的聚合物加工的系统和方法

本发明总体上涉及聚合物加工，更具体地说，涉及通过加热(例如使反应物经受短暂的高温脉冲)进行的聚合物加工(例如解聚)。

背景技术：

1、清除塑料废弃物的常见但极不可持续的方法包括焚烧或埋入地下，前者产生大量碳排放，污染空气，而后者则会对环境造成长期破坏。替代地，许多热塑性塑料可以通过机械加工(例如研磨、复合等)回收利用，制成低端但有一定用途的材料。然而，由于产物价值有限以及工艺的能耗高，使这种方法在经济上缺乏吸引力。热化学塑料分解已被研究用于将塑料废弃物转化为增值化学品。在众多热化学塑料分解途径中，解聚具有巨大的经济效益，因为产生的单体可以在后续聚合反应中重新用于另一个产物生命周期。

2、尽管少数塑料(例如聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯)在接近平衡的条件下可通过传统的热化学处理轻松解聚，但其他塑料(例如大多数聚烯烃和聚酯)却无法以高选择性(high selectivity)地转化为其单体。这种低选择性(low selectivity)是由于在接近平衡条件下对塑料进行恒温连续加热期间，解聚(单体单元之间的c-c或c-o键断裂)、无规链裂(其他c-c或c-o键断裂)、脱氢(c-h键断裂)和芳香化途径(c-c偶联)之间的竞争，从而产生单体之外的一系列产物(例如轻烃、芳烃、烟尘、焦炭等)。为了解决这一问题，传统工艺通常使用催化剂，但这种催化剂只能稍微提高产物的选择性，而且容易因结焦而降解。例如，聚丙烯(pp)的热解在不使用催化剂的情况下通常表现为仅约10％的单体产率，而在使用优化催化剂的情况下则表现出小于25％的单体产率。在另一个实例中，聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)的热解通常会产生各种芳香族物质，其中1,4-苯二甲酸单体的产率小于25％。

3、所公开主题的实施例可以解决上述问题和缺陷中的一个或多个。

技术实现思路

1、所公开的主题系统的实施例提供了用于加工聚合物的系统和方法，例如，将聚合物回收和/或转化成更小的组成分子(例如，具有更小的碳数)，例如但不限于单体。在一些实施例中，脉冲加热可用于在无催化剂和远离平衡的过程中选择性地将聚合物转化为组成分子。在一些实施例中，聚合物的加工涉及空间温度梯度。在一些实施例中，空间温度梯度可以至少部分地通过使用介于聚合物和脉冲加热源之间的反应器来产生。例如，空间温度梯度可以引发塑料的熔化、芯吸和反应过程。同时，瞬时加热脉冲(例如持续时间小于1秒)可以为连接分子片段(例如单体)的最弱键的断裂提供足够的时间，同时抑制产生反应时间较长的副产物(例如芳烃、焦炭、烟尘等)的不希望的途径。在一些实施例中，空间温度梯度和瞬时加热的组合可产生时空加热，从而实现对聚合物的优化加工，例如，单体转化率超过25％(例如30％至60％)。

2、在一个或多个实施例中，方法可以包括使反应物经受多个连续的加工循环。每个加工循环都可以包括施加加热的第一周期和紧接在第一周期之后不施加加热的第二周期。每个加工循环的持续时间都可以小于或等于10秒，并且每个第一周期的持续时间都可以小于1秒。反应物可以包括一种或多种聚合物。在进行所述加工循环之前，反应器的至少第一端可以设置为与反应物接触。反应器可以包括多个孔、多个微通道或两者。所述加工循环使得反应器在厚度上产生温度梯度。在所述加工循环期间，熔化的反应物可以通过毛细作用输送进入反应器中。所述加工循环可以有效地将至少一些反应物转化成一种或多种第一产物。

3、在一个或多个实施例中，反应物加工系统可以包括反应器、加热系统和控制器。反应器可以包括多个孔、多个微通道或两者。加热系统可以配置为至少对反应器进行加热。控制器可操作地耦合到加热系统。控制器可以包括一个或多个处理器和存储有指令的计算机可读存储介质，当由一个或多个处理器执行所述指令时，所述指令可使控制器对加热系统进行控制，使反应物经受多个连续的加工循环。每个加工循环都可以包括施加加热的第一周期和紧接在第一周期之后不施加加热的第二周期。每个加工循环的持续时间都可以小于或等于10秒，并且每个第一周期的持续时间都可以小于1秒。反应器的构造可将反应器的第一端的熔化的反应物通过毛细作用输送进入反应器中。一个或多个加工循环可以在反应器的与第一端相对的第二端将至少一些反应物有效地转化成一种或多种第一产物。

4、本公开的各种创新中的任何一种都可以组合使用或单独使用。本技术实现要素：以简化的形式介绍了一些概念，这些概念将在下文的详细说明中进一步阐述。本发明内容不旨在确定所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。通过参考附图进行的以下详细描述，所公开技术的上述内容和其他目的、特征和优点将变得更加明显。

技术特征：

1.一种方法，其包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中一种或多种第一产物中的至少一种包括组成单体。

3.根据权利要求1所述的方法，其中一种或多种第一产物中的至少一种在大于或等于350℃的温度下包括挥发性物质或气相物质。

4.根据权利要求1所述的方法，其中一种或多种第一产物中的至少一种具有小于或等于20的碳数。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述加工循环在不使用催化剂的情况下进行。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述加工循环作为远离平衡的过程进行。

7.根据权利要求1所述的方法，其中一种或多种聚合物包括塑料、橡胶、超分子、生物质或前述材料的任意组合。

8.根据权利要求1所述的方法，其中一种或多种聚合物包括具有碳-碳(c-c)主链的塑料或橡胶。

9.根据权利要求8所述的方法，其中塑料或橡胶是聚丙烯(pp)、聚苯乙烯(ps)、聚乙烯醇(pva)、聚醋酸乙烯酯(pvac)、聚乙烯(pe)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)、聚氯乙烯(pvc)或前述材料的任何组合。

10.根据权利要求1所述的方法，其中一种或多种聚合物包括具有碳-非碳(c-x)主链的塑料。

11.根据权利要求10所述的方法，其中塑料是聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚氨酯(pu)、尼龙、不饱和聚酯(upe)、聚碳酸酯(pc)、环氧树脂、聚醚或前述材料的任意组合。

12.根据权利要求1所述的方法，其中一种或多种聚合物包括选自木质素、纤维素、松香、甲壳质、壳聚糖或前述物质的任意组合的生物质。

13.根据权利要求1所述的方法，其中在每个第一周期期间的加热是通过焦耳加热、微波加热、激光加热、电子束加热、火花放电加热、太阳能加热、等离子体加热或前述的任意组合来提供的。

14.根据权利要求2所述的方法，其中所述加工循环使得组成单体的产率至少为25wt％。

15.根据权利要求2所述的方法，其中所述加工循环使得组成单体的产率在30wt％至60wt％的范围内。

16.根据权利要求1所述的方法，其中每个加工循环的持续时间都小于或等于1.5秒。

17.根据权利要求1所述的方法，其中对于一个、一些或所有加工循环，第一周期的持续时间小于相应加工循环的第二周期的持续时间。

18.根据权利要求1所述的方法，其中对于一个、一些或所有加工循环，第一周期的持续时间小于或等于相应加工循环的第二周期的持续时间的10％。

19.根据权利要求1所述的方法，其中对于一个、一些或所有加工循环，第一周期的持续时间在10毫秒至500毫秒的范围内，包括10毫秒和500毫秒。

20.根据权利要求1所述的方法，其中所述加工循环使得一种或多种组成单体的选择性为至少10％。

21.根据权利要求1所述的方法，其中反应器包括由碳、陶瓷、金属或前述材料的组合形成的一层或多层。

22.根据权利要求1所述的方法，其中反应器的厚度在2毫米至8毫米的范围内，包括2毫米和8毫米。

23.根据权利要求1所述的方法，其中反应器的第一端的至少一部分的孔隙率为至少40％。

24.根据权利要求1所述的方法，其中反应器的第一端的至少一部分的孔隙率在50％至95％的范围内，包括50％和95％。

25.根据权利要求1所述的方法，其中反应器的第一端的一部分的孔隙率不同于反应器的与第一端相对的第二端的一部分的孔隙率。

26.根据权利要求1所述的方法，其中每个第一周期期间的加热都由焦耳加热元件提供，并且反应器设置为与焦耳加热元件接触或与焦耳加热元件邻近。

27.根据权利要求26所述的方法，其中靠近反应器的焦耳加热元件的至少一部分的孔隙率为至少40％。

28.根据权利要求26所述的方法，其中靠近反应器的焦耳加热元件的至少一部分的孔隙率在50％至95％的范围内，包括50％和95％。

29.根据权利要求26所述的方法，其中反应器设置为距离焦耳加热元件1毫米或更小。

30.根据权利要求26所述的方法，其中反应器的厚度至少是焦耳加热元件厚度的两倍。

31.根据权利要求26所述的方法，其中焦耳加热元件的厚度在1毫米至3毫米的范围内，包括1毫米和3毫米，并且反应器的厚度在2毫米至8毫米的范围内，包括2毫米和8毫米。

32.根据权利要求1所述的方法，其中温度梯度包括反应器的第一端的第一温度，所述第一温度大于或等于反应物的熔化温度。

33.根据权利要求1所述的方法，其中在至少一个加工循环期间，温度梯度包括反应器的与第一端相对的第二端的最高温度，所述最高温度高于反应物的分解温度。

34.根据权利要求33所述的方法，其中最高温度出现在相应加工循环的第一周期结束时或接近结束时。

35.根据权利要求33所述的方法，其中最高温度的持续时间小于相应加工循环的持续时间。

36.根据权利要求1所述的方法，其中在至少一个加工循环期间，温度梯度包括反应器的与第一端相对的第二端的最低温度，所述最低温度低于反应物的分解温度并高于反应器的第一端的第一温度。

37.根据权利要求36所述的方法，其中最低温度出现在相应加工循环的第二周期结束时或接近结束时。

38.根据权利要求1所述的方法，其中一种或多种第一产物在反应器的与第一端相对的第二端产生和/或从第二端运送。

39.根据权利要求38所述的方法，其中一种或多种第一产物通过载体气体从反应器输送。

40.根据权利要求18所述的方法，其中所述加工循环使得一种或多种第一产物在反应器的与第一端相对的第二端蒸发，而由反应物形成的一种或多种第二产物保留在反应器内，所述一种或多种第二产物比一种或多种第一产物重。

41.根据权利要求40所述的方法，其中一种或多种第一产物中的至少一种包括单体，并且一种或多种第二产物中的至少一种包括低聚物。

42.根据权利要求1所述的方法，其中反应物设置在容器中，并且每个第一周期期间的加热都由与容器热连通的加热元件提供。

43.一种用于执行权利要求1至42中任一项所述的方法的系统，所述系统包括：

44.一种用于对反应物进行加工的系统，所述反应物包括一种或多种聚合物，所述系统包括：

45.根据权利要求44所述的系统，其中加热系统包括焦耳加热系统、微波加热系统、激光加热系统、电子束加热系统、火花放电加热系统、太阳能加热系统、等离子体加热系统或前述系统的任意组合。

46.根据权利要求44所述的系统，其中每个加工循环的持续时间都小于或等于1.5秒。

47.根据权利要求44所述的系统，其中对于一个、一些或所有加工循环，第一周期的持续时间小于相应加工循环的第二周期的持续时间。

48.根据权利要求44所述的系统，其中对于一个、一些或所有加工循环，第一周期的持续时间小于或等于相应加工循环的第二周期的持续时间的10％。

49.根据权利要求44所述的系统，其中对于一个、一些或所有加工循环，第一周期的持续时间在10毫秒至500毫秒的范围内，包括10毫秒和500毫秒。

50.根据权利要求44所述的系统，其中反应器包括由碳、陶瓷、金属或前述材料的组合形成的一层或多层。

51.根据权利要求44所述的系统，其中反应器相对于加热系统设置，使得在多个加工循环期间，在反应器的厚度上产生温度梯度。

52.根据权利要求51所述的系统，其中反应器的厚度在2毫米至8毫米的范围内，包括2毫米和8毫米。

53.根据权利要求44所述的系统，其中反应器的第一端的至少一部分的孔隙率为至少40％。

54.根据权利要求44所述的系统，其中反应器的第一端的至少一部分的孔隙率在50％至95％的范围内，包括50％和95％。

55.根据权利要求44所述的系统，其中加热系统包括焦耳加热元件，并且反应器设置为与焦耳加热元件接触或与焦耳加热元件邻近。

56.根据权利要求55所述的系统，其中靠近反应器的焦耳加热元件的至少一部分的孔隙率为至少40％。

57.根据权利要求55所述的系统，其中靠近反应器的焦耳加热元件的至少一部分的孔隙率在50％至95％的范围内，包括50％和95％。

58.根据权利要求55所述的系统，其中焦耳加热元件和反应器之间的间隙小于或等于1毫米。

59.根据权利要求55所述的系统，其中反应器的厚度至少是焦耳加热元件厚度的两倍。

60.根据权利要求55所述的系统，其中焦耳加热元件的厚度在1毫米至3毫米的范围内，包括1毫米和3毫米，并且反应器的厚度在2毫米至8毫米的范围内，包括2毫米和8毫米。

61.根据权利要求44所述的系统，其中：

62.根据权利要求61所述的系统，其中计算机可读存储介质存储有指令，当由一个或多个处理器执行所述指令时，所述指令使得控制器对加热系统进行控制，从而在至少一个加工循环期间，最高温度的持续时间小于相应加工循环的持续时间。

63.根据权利要求44所述的系统，其中：

64.根据权利要求44所述的系统，进一步包括捕获装置，所述捕获装置配置为从反应器的第二端收集和/或输送蒸发的第一产物。

65.根据权利要求44所述的系统，其中：

技术总结包括一种或多种聚合物的反应物能够经受多个连续的加工循环。每个加工循环都具有施加加热的第一周期和紧接在第一周期之后不施加加热的第二周期。每个加工循环的持续时间都小于或等于10秒，并且每个第一周期的持续时间都小于1秒。所述加工循环能够有效地将至少一些反应物转化成一种或多种产物，例如，转化成一种或多种组成单体或其他挥发性物质或气相物质。在一些实施例中，在加热源和反应物之间设置反应器，例如，以提供用于改进的聚合物加工的时空温度分布。技术研发人员：胡良兵,刘冬霞,董麒,S·程,琚诒光受保护的技术使用者：马里兰大学帕克分校技术研发日：技术公布日：2024/7/18