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作者与机构
本研究的作者为Sanghun Baeck、Yong-Kul Lee和Hwankyu Lee，均来自韩国Dankook大学化学工程系。该研究于2024年8月20日发表在期刊《Chemical Engineering Journal》上。

学术背景
本研究的主要科学领域为塑料共热解（co-pyrolysis）的分子动力学模拟。塑料因其强度、耐久性、轻质和低成本等特点，已成为人类生活中不可或缺的材料。然而，全球塑料废物处理问题日益严峻，仅有约20%的塑料废物被回收或焚烧，其余80%被丢弃在土地和海洋中，最终分解为微塑料颗粒，对环境和生物造成严重危害。传统的机械和热处理方法大多生成低价值产品，如焦炭，难以实现高效回收。因此，化学回收方法成为研究热点，旨在通过选择性热解生成具有工业应用价值的短链烃类化合物。聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS）是塑料的主要成分，其共热解行为及其反应机制的研究对于优化回收工艺具有重要意义。

研究流程
本研究分为以下几个步骤：
1. 经典分子动力学模拟（Classical MD Simulations）
- 使用GROMACS-2018.6软件包和OPLS全原子力场（force field）进行模拟。
- 模拟对象包括不同长度的PE、PP、PS及其碎片（如乙苯EB和线性α-烯烃LAO），模拟温度为450 K或513 K，模拟时间为500 ns。
- 通过计算PE熔体的构象和扩散系数，验证了全原子模型的准确性。
- 模拟了PE与LAO的混合物，研究了LAO浓度对PE密度和扩散性的影响。
- 模拟了PE、PP和PS的混合物，研究了PS浓度对聚合物聚集的影响。

1. 反应性分子动力学模拟（Reactive MD Simulations）
   
   • 使用LAMMPS和AMS软件包，结合ReaxFF反应力场进行模拟。
     
   • 模拟对象为PE和PS的混合物，模拟温度为2000 K、2200 K和2400 K，模拟时间为0.85 ns。
     
   • 通过分析热解产物的分布，研究了PS浓度对液体和气体产物的影响。
     
   • 通过计算PE与PS之间的氢自由基（H radicals）转移，揭示了共热解的反应机制。
     

主要结果
1. 经典分子动力学模拟结果
- PE熔体的密度、回转半径（radius of gyration, Rg）和端到端距离（end-to-end distance）与实验数据一致，验证了模型的准确性。
- LAO的加入显著提高了PE链的扩散性，但对PE的构象影响较小。
- 当PS浓度达到20 wt%或更高时，PS聚合物发生聚集，导致PS与其他聚合物分离。
- 用EB替代部分PS后，聚合物聚集现象得到抑制。

1. 反应性分子动力学模拟结果
   
   • 随着PS浓度的增加，重油（heavy oil）产量增加，气体产量减少，与实验结果一致。
     
   • PS碎片（如苯、EB和甲苯）与PE结合，导致液体产物的形成。
     
   • PE和PS之间的氢自由基转移不仅抑制了聚合物的进一步分解，还生成了能够加速共热解的自由基。
     

结论
本研究通过经典和反应性分子动力学模拟，揭示了PE、PP和PS共热解的反应机制及其产物分布规律。研究发现，PS浓度对液体和气体产物的分布有显著影响，PS碎片与PE的结合是液体产物增加的主要原因。此外，氢自由基的转移在共热解过程中起到了关键作用。这些结果为优化塑料回收工艺提供了理论依据，特别是在低热解温度下，选择合适的PS浓度可以避免聚合物聚集，提高液体产物的选择性。

研究亮点
1. 通过全原子模型验证了PE熔体的构象和扩散性，确保了模拟结果的准确性。
2. 首次系统地研究了PS浓度对PE、PP和PS共热解产物分布及聚合物聚集的影响。
3. 揭示了氢自由基转移在共热解反应中的关键作用，为理解共热解机制提供了新的视角。
4. 提出了在低热解温度下优化PS浓度的策略，为塑料回收工艺的实际应用提供了重要参考。

其他有价值的内容
本研究还探讨了LAO对PE链动态行为的影响，为理解塑料热解过程中碎片与聚合物之间的相互作用提供了新的见解。此外，研究中使用的高温反应性模拟方法为快速探索热解反应机制提供了有效工具。