上海光学精密机械研究所----上海光机所在聚烯烃高效热解动力学速率常数预测方面取得进展

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超强激光科学卓越创新简报

(第七百五十期)

2026年2月7日

上海光机所在聚烯烃高效热解动力学速率常数预测方面取得进展

中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室的研究团队，联合挪威北极大学（UiT The Arctic University of Norway），提出了一种用于预测聚烯烃热解动力学速率常数的全新反演数值建模框架。该研究成果以“Inverse numerical modeling for predicting kinetic rate constants in polyolefin pyrolysis based on product yield distribution for efficient plastic recycling”为题发表在Scientific Reports上。

该研究针对塑料热解领域长期存在的关键问题展开，即传统实验和统计动力学模型难以准确预测并调控产物收率分布。不同于仅依赖实验数据拟合速率常数的传统方法，研究人员引入了一种反演建模思路，通过迭代调整动力学速率常数，使其满足预设的产物收率目标。该数值框架被应用于高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）以及聚丙烯（PP）的热解过程，采用了一个成熟的集总反应机理模型，该模型包含聚合物、蜡、油和气体四个拟组分，以及六条一级反应路径。数值模拟以60分钟反应时间内约50%油和50%气的受控产物分布为目标。数值优化过程采用最小二乘目标函数，并结合刚性常微分方程求解器完成。

模型验证在两个具有代表性的热解温度条件下进行，分别为450 °C和500 °C。预测得到的动力学速率常数与实验产物收率趋势表现出高度一致性，在所有聚合物和温度条件下决定系数（R²）均超过0.98。反演建模方法有效抑制了蜡的生成，并在不降低油品收率效率的前提下，实现了约5%的气体产率提升。对实验获得的速率常数与反演预测速率常数的对比分析表明，优化后的动力学参数促进了蜡和油向气体的更强烈二次裂解，尤其在HDPE和LDPE体系中表现更为明显。作为参考，450 °C 条件下的对比结果如图1(a–f) 所示。

该研究表明反演数值建模为将目标产物分布与动力学参数直接关联提供了一种灵活且具有预测能力的研究框架。该方法为基于回归或统计假设的动力学常数提供了一种切实可行的替代方案，并可扩展应用于不同操作温度、不同聚合物体系或不同目标收率配置。这是首次基于产物收率分布明确开展的聚烯烃热解反演动力学建模研究。该方法有望通过实现以收率为导向的热解反应调控，为塑料废弃物化学回收过程中的工艺优化、反应器设计及规模化应用提供有力支撑。