棉田废弃聚乙烯农膜回收再利用发展现状

杨凯，师勇强，王文魁，马小艳，，郭志刚，马帅，张炜，杨敬贺，王岩，张杰*，马雄风，*

（1.棉花生物学国家重点实验室郑州大学基地/ 郑州大学生态与环境学院，郑州 450000；2.中国农业科学院棉花研究所/ 棉花生物学国家重点实验室/ 棉花生物育种及产业技术国家工程研究中心，河南 安阳 455000；3.融通农业发展（麦盖提）有限责任公司，新疆 喀什 844600；4.中农博西（河南）科技有限公司，河南 安阳 455000）

我国作为全球第一大棉花消费国[1]，近年来棉花的种植面积虽有下降，但仍在300 万hm2以上。新疆、甘肃、陕西等西北地区和华北地区都将其视为重要的经济作物。由于这些地区春种时的温度都比较低，使用地膜可为播种后的棉田保温和保湿，促进棉种发芽生长。同时，我国北方耕地由于普遍缺水，很多农作物（除小麦等）需要先覆盖地膜再播种。总体而言，地膜的应用对我国农业生产具有重要意义。但是，地膜作为有机高分子材料很难自行分解。若秋收后收集堆积的废旧地膜散在农田地边不经处理，将造成“白色污染”，田里的残膜也会降低土壤的质量和棉田的收成，并影响之后的棉花种植，产生较大危害[1-2]。目前棉花种植中使用最广泛的地膜是聚乙烯（polyethylene,PE）地膜，聚乙烯材料优越的物理化学性能使其在食品包装行业[3]、生物医学[4]、工业煤矿生产[5]、农业等领域广泛应用。根据密度的不同，聚乙烯可分为高密度聚乙烯和低密度聚乙烯，通常用于农用地膜（简称为“农膜”）的是低密度聚乙烯[6]。聚乙烯在自然界难以降解，燃烧或填埋都不能从根本上解决废弃农膜污染，甚至会产生大量的大气和土壤污染物。从经济和环保角度看，回收再利用是对废弃聚乙烯农膜最好的处理方式。回收的聚乙烯农膜有多种再生用途，如废聚乙烯分解产气[7]、废聚乙烯热解产油[8]、废聚乙烯改性沥青[9]、废聚乙烯制聚乙烯蜡[10]等。笔者团队总结了废弃聚乙烯在直接再生塑料制品、炼油、制蜡等方面的实际应用，以及对废弃农膜的各种处理方法，分析了再利用棉田废弃农膜的环境价值和经济效益，并对废弃聚乙烯农膜的回收利用进行展望。

1 棉田中废弃农膜的回收处理方法

对于棉田里的废弃农膜处理最初大多采用掩埋和焚烧法[11]，将农膜回收聚集成堆后挖坑填埋或者和干棉花叶一起作为燃料燃烧回收热能。掩埋会导致地膜破碎后产生大量微塑料污染，直接对土壤造成不可逆转的影响；焚烧虽然能够回收一部分热能，但是燃烧聚乙烯会产生有害有机物质造成严重的大气污染，破坏棉田的生态环境。直接掩埋和焚烧不仅无法减轻废弃农膜对于棉田的危害，还会增加碳排放，对环境造成再次污染，甚至直接威胁到人类自身的健康。从长远角度考虑，只有再生处理可以同时实现废弃物循环再利用得到经济效益和解决污染物产生环保效益，符合我国“碳中和”的政策需求。

再生处理可根据目标产物的不同分为直接再生、改性再生和裂解再生[12]。废弃农用地膜的回收处理方法见表1。

表1 废弃农膜处理方法比较

1.1 直接处理再生法

直接再生法是先将从棉田回收的废弃农膜与混入其中的棉花根茎挑拣分离，洗去农膜上的土粒、植物残体等杂物，再进行破碎和干燥，之后进行再造粒和吹塑成型，冷却后再制成塑料产品[13]。这种方法的优点在于节约成本且技术简单易操作；缺点是再生产的制品质量无法与一次产品相提并论，不能充分发挥材料的自身优势[14]。因此，在利用废弃农膜直接加工产品的过程中，需要添加各种改性剂以增强产品的物理性能。

1.2 改性再生法

改性再生法是将自棉田回收的聚乙烯农膜中杂物清除后清洗干燥，热熔后作为改性剂使用。改性再生方法主要有2 类：一类是通过将废弃聚乙烯膜回收处理后加入到沥青中，起到增强沥青的强度和稳定度的作用[14]；另一类是将废弃的聚乙烯膜熔融后在其中填充粉煤灰、石墨等材料进行填充改性，从而增加聚乙烯的性能，制成高品质的再生材料[15]。改性再生法的技术要求高于直接再生法，但是对于废弃聚乙烯农膜的再利用会更彻底，更能充分利用其价值。

1.3 裂解再生法

根据目标产物的不同，裂解再生可以分为产气、产油与产蜡技术。将棉田回收的聚乙烯农膜清洗干燥后热分解或者催化裂解，根据不同的处理工艺制成燃料油[16]、聚乙烯蜡[9]等再生产品，创造废弃聚乙烯农膜更高的再利用价值。裂解再生法相比于直接再生法和改性再生法具有更高的处理难度和处理成本，却是废弃聚乙烯农膜实现更高经济利用价值的有效途径。

2 废弃聚乙烯农膜的回收应用实例

由上述废弃农膜再利用技术对比可以看出，对棉田农膜的再生利用可以创造较高的经济价值和低碳排放收益。虽然不同处理技术的产品有不同的应用路径，但都可以从源头上缓解农膜污染，加快农膜资源循环利用的发展。以下分类叙述废弃聚乙烯农膜经过再生处理得到不同产品的事例，从应用角度分析其直接再生塑料制品、裂解炼油和裂解制蜡的利用途径，说明废弃聚乙烯农膜高附加值化的回收利用价值。

2.1 废弃聚乙烯膜直接再生产塑料制品

棉田回收废旧农膜直接再生塑料制品是其综合利用的简单方式。将回收后的农膜粉碎、清洗、热熔以及挤压生产塑料颗粒作为深加工的原料，生产聚乙烯管材、塑料容器等；或者利用更简单的方式，不清洗直接粉碎，与石块、土渣等混合加工制成砖块、井盖等二次产品[17]。何秀院等[18]以废弃的聚乙烯膜为原料经过简单的一次熔融制成新的农膜和包装膜，经过检测，再生的塑料膜具有良好的使用性能，节能且环保。张志梅等[19]将粉煤灰和石墨等与废弃聚乙烯膜混合制成建筑用的瓦片，证明废弃聚乙烯塑料的可再利用性。废弃聚乙烯农膜还可以制成土建材料，类似于砖块[20]。郑州大学王岩教授团队也通过废弃聚乙烯农膜直接再生制备了可以用于工业建筑的材料（数据尚未发表）。由此可见，可以在废弃聚乙烯农膜熔融后掺入土渣、石块等制成硬质建筑材料，用于工程建设，既能节约成本，又能提高建筑物的支撑力度。此外，废弃聚乙烯塑料直接破碎融化后，经过挤压塑形可被制成类似于木材的“再生木材”，不需要添加其他物质就能用来制作长椅等户外防水且可供休息的产品[21]。

2.2 废弃聚乙烯膜改性的沥青混合材料

目前沥青混凝土是大部分公路的首选修葺材料，但是随着交通运输的不断发展，即使对路面承重实行限制规定，超载车辆对于公路的损坏还是日益严重。在这种背景下，提高沥青的强度和抗压能力成为解决问题的关键。方长青等[14]尝试将回收的废弃聚乙烯膜作为普通沥青的改性剂，研究证明使用聚乙烯改性以后的沥青在抗压性、耐冻性以及稳定性等方面都有提高，可实现将废弃聚乙烯塑料变废为宝的经济效益。国外对废弃聚乙烯用于沥青改性处理的可行性也有研究。为了将废弃的聚乙烯农膜最大化利用，朝鲜将农用废弃聚乙烯膜作为沥青路面的合成材料，并实际投用到公路建设中。Kwang等[22]在此基础上，通过废弃聚乙烯农膜不同掺杂量的试验，找到了最佳的聚乙烯加入量，发现掺杂废弃聚乙烯膜的沥青混合材料的抗车辙能力和稳定性能都要优于未掺杂废弃聚乙烯膜的沥青材料，这再次证明废弃聚乙烯农膜具有较高的循环使用价值。

2.3 废弃聚乙烯膜裂解制燃料油

废弃聚乙烯农膜的裂解炼油工艺是在更高的工艺操作条件下对废弃聚乙烯农膜进行的回收应用。其方法主要有高温裂解和催化裂解2 种。高温裂解需要加热使得废弃聚乙烯中的碳碳键和碳氢键断裂产生自由基，之后自由基组合产生小分子烃类，冷凝后得到燃料。此利用途径短板在于裂解过程需要达到一定的温度，耗费的能量较大，虽然可以实现废弃聚乙烯再生炼油制蜡，但处理成本较高[23]。加入适当的催化剂，可通过催化裂解使得聚乙烯在相对较低的温度下裂解产油，在节约能源的同时保证产油率高于直接高温裂解[24]。因此，目前催化裂解的研究重点在于参与催化过程的高效催化剂的研发[16]。不同的催化剂其催化裂解效率不同，对废弃聚乙烯裂解的液体收率也有影响，不同催化剂在裂解后得到液体收率的差异性见表2。

表2 不同催化剂催化裂解聚乙烯反应条件及液体回收率

由表2 可知，无论是高密度聚乙烯还是低密度聚乙烯，它们的催化裂解温度都在400 ℃及以上，在加入催化剂的情况下可以实现较高的液体收率，然后将所得液体二次分馏后就可以得到汽油、柴油和重油等燃料油[29]。除了分子筛类的催化剂，固体超强酸也可以催化裂解聚乙烯得到燃料油，许金生等[30]以固体超强酸（SO42-/ZrO2-TiO2-La）为催化剂催化裂解聚乙烯制备燃料油，发现当温度为550 ℃时，催化性能最好，液体产物收率可达到最大值（85.5%）。由此发现，裂解温度的不同，不仅影响催化裂解的效率，还影响最终的液体收率[31]。从资源再利用的角度来看，此利用途径可充分发挥废弃聚乙烯膜的利用优势，且催化裂解反应快，效率高，所得油的品质较好；但是，催化剂的重复使用性差是制约其应用的关键问题[32]。

2.4 废弃聚乙烯膜制蜡

聚乙烯蜡具有毒性小、抗腐蚀、耐高温、润滑性和流动性好等优点，应用十分广泛，比如可在一些塑料橡胶的加工过程中起到良好的促进作用，提高其生产效率[33]。由于聚乙烯蜡的生产成本较高，近年来寻求经济可行的生产工艺成为其研究的重点。王莹等[10]利用废弃聚乙烯农膜等为原料，在一定的反应温度下恒温裂解，制得聚乙烯蜡。胡浩斌等[34]将回收的农膜进行催化裂解，在研究催化剂、裂解温度及时间对产品收率和性能影响的基础上，创造性地利用响应面法（response surface methodology,RSM）对废弃聚乙烯农膜催化裂解制备聚乙烯蜡的工艺进行优化，为废弃聚乙烯农膜的综合利用提供了科学依据。袁倩等[35]以洗净的废塑料为原料，在反应釜中热解后得到聚乙烯蜡，再次证明废弃聚乙烯膜裂解再生产聚乙烯蜡的技术可行性。因此，废聚乙烯塑料热解制取聚乙烯蜡在技术和经济上可行，且具有极大的工业应用前景。

3 总结与展望

棉田回收废弃聚乙烯农膜的处理方式有很多，单从产品来看，废弃聚乙烯农膜回收就有很大的经济效益。随着处理技术和方法的不断优化，废弃聚乙烯农膜的回收利用也将愈加普遍，从熔融再生产塑料制品或直接破碎再生产农膜，到高温、催化裂解炼油和制聚乙烯蜡，废弃聚乙烯农膜将不再是棉田地头可见的垃圾，而是一种能够被有效利用的资源，可以同时创造经济效益和环保效益。

但目前棉田废弃聚乙烯农膜回收再利用的实际操作中，还存在一些亟待解决的现实问题：（1）如何激励棉田废弃聚乙烯农膜的高效回收。虽然目前大力倡导农业废物资源化的处理处置，但农户对于农膜的回收重视程度不是很高，所以需要制订一些切实可行的奖励性规定来提高农户回收棉田残膜的积极性，同时加大宣传碳排放政策的力度以增强农户环保意识。（2）棉田农膜回收技术待优化。回收残膜的处理技术是农膜回收再利用的关键因素之一。目前主要有人工回收和机械回收2 种方法[36]。人工回收不仅工作强度大，回收效率较低，而且只能清除棉田里可见的残膜，无法适应长远植棉发展的要求。从节约成本和可行性的角度出发，机械回收是废弃农膜回收的合适选择。现在市场上已经出现能够将农膜和棉秆分离的农具设备，只是回收的残膜中仍然存在棉秆和棉叶，其中干棉叶尤其多，回收后在加工再生产品之前还需要进行残膜人工分离，处理成本较高[37]。优化可回收棉田废弃农膜的机器处理技术，减少干棉叶携带的同时实现棉田残留农膜较高的回收率[38]，也是提高棉田农膜回收再利用效率的可行方法。（3）废弃聚乙烯农膜再生产二次塑料的质量待提高。在废弃聚乙烯农膜直接再生利用过程中，简单的处理操作虽然可以节省时间，但杂质的去除率并不理想，造成二次生产的塑料制品出现强度、外观不合格等质量问题[39]。所以，再生产二次塑料制品时，不仅要保证生产过程的高效率，还要确保最终的产品质量能够达标。（4）开发更高效催化废弃聚乙烯农膜裂解的催化剂。目前用于催化裂解废弃聚乙烯的催化剂有很多，主要不足是：大部分催化剂在使用后无法回收再利用，增加了裂解过程的成本；催化裂解制燃料油的液体收率和产油率有待进一步提高。通过解决催化剂的这些不足，可进一步扩大废弃聚乙烯农膜再利用的经济效益和环保效益。

综上所述，棉田中废弃聚乙烯农膜的回收在环境和经济上具有双重的价值。未来的发展方向以优化再利用处理技术为主，降低回收再生产的成本，同时研发高质量的再生产品，进一步提升棉田废弃聚乙烯农膜的回收利用率，实现废物资源再利用的可持续发展。废弃聚乙烯农膜回收利用率的提高，也意味着残膜对棉田土壤质量的危害降低，可以作为提高棉花产量切实可行的途径。