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塑料垃圾变柴油还有多远
来源:中国科学报 发布时间:2019-05-10

   塑料已经深入人类生活的方方面面。从食物包装袋到3D打印材料,从小小的乒乓球到贯穿城市的下水管道,到处都有塑料。塑料不易降解的特性虽然给生活带来了便利,但同时也给地球带来了麻烦,甚至已经成为“无法承受之重”。

  关于减塑及塑料垃圾处理的问题在世界各国及不同行业领域里都备受关注。近日,第46期理解未来讲座就邀请科学家和艺术家坐到了一起,分享彼此对于塑料的诸多观点。其中,上海有机化学研究所金属有机化学国家重点实验室课题组长、研究员、博士生导师黄正分享了关于聚乙烯废塑料降解的研究,在科学家们的不断努力下,塑料垃圾也能变废为宝,比如转化为柴油。

  塑料如何变柴油

  如果在搜索引擎输入“塑料变柴油”,会显示一些骗局新闻,也有人将它视作和“水变油”一样的诈骗行为。但事实上塑料变柴油却并非天方夜谭,只是要真正达到量产还需要诸多步骤。

  塑料为何能变柴油呢?黄正向《中国科学报》介绍说,大部分塑料都来自于石油气。“很多塑料最初都是来自石油,石油裂解产生了乙烯、丁二烯等物质,而它们是生产塑料的原料。”

  身为一名化学家,就会考虑塑料的降解是否可以从哪里来到哪里去。黄正解释说:“聚乙烯废塑料是理想的燃油,成分与柴油、汽油的组成是一样的,如果能把它用起来,它不含硫、氮这些杂原子。关键在这里面,塑料袋是固体,汽油、柴油是液体,我们应该把它降解下来,把它的分子变小才可以拿来用。”

  将高分子量的聚乙烯类的废塑料进行降解是他和团队长久以来的重点研究方向之一,希望通过催化剂的设计与发展,把塑料转化为高附加值的产品——“比如把聚乙烯在温和条件下降解选择性生成燃油”。

  既有的办法是通过热裂解技术实现。“但这个办法能量效率低,温度往往要大约400摄氏度,并且高温情况下塑料会产生各种各样的产物,包括烷烃、芳烃、烯烃。这个产物可以是汽、油或蜡,非常复杂,使它的利用率很低。”

  黄正采用了交叉烷烃复分解催化的策略。研究团队使用价廉量大的低碳烷烃作为反应试剂和溶剂,通过与聚乙烯发生重组反应,有效降低聚乙烯的分子量和长度。在反应体系中低碳烷烃过量存在,可多次参与与聚乙烯的重组反应,直至把分子量上万,甚至上百万的聚乙烯降解为清洁柴油。

  “这个工作主要基于用一种双金属催化烷烃复分解的方法,这是2006年Goldman、Brookhart发在《科学》上的工作。我们想用交叉烷烃复分解,把聚乙烯降解下来,在较温和的条件下,如在小于200摄氏度的情况下,将高分子量的聚合物降解为低分子的燃油烷烃。”黄正向《中国科学报》进一步解释说,“高分子聚乙烯与小分子烷烃进行重组,小分子烷烃把高分子像剪刀一样剪断了,剪断以后证明它的分子量就降低了,而且在这里面,小分子烷烃是大量过量的,有很多把剪刀可以不断地把高分子的一条长链剪断,进而变成燃油的烷烃。”

  实现量产有前提

  有了这项技术,日常生活中的聚乙烯废塑料,比如塑料瓶、保鲜膜、塑料袋等就可以降解成清洁燃油。但是,前提是催化剂效率的进一步提高,以及废塑料的分类回收。

  黄正介绍说,目前研究中催化剂的使用量相对较大,催化剂跟废塑料质量比,大约能做到1到100左右;但如果要真正实现量产,比例则要提升到1比10万,甚至1比100万。也就是说,加入1克的催化剂就可以将100万克的废塑料降解。“达到这个效率的时候,催化剂就有机会实现量产,这正是我们目前努力的方向,把催化剂效率提高,降低催化剂的用量。”

  黄正的学生贾香清博士研究发现,钇催化剂和铼催化剂可以将聚合物降解,把聚乙烯降解成在分子量可以适用于作为柴油的烷烃。但钇和铼两个都是贵金属,价格不菲。黄正表示:“一方面我们在考虑催化剂的回收利用,另外也在考虑是否能用廉价的金属,比如铁来做代替。”

  除了进一步提高催化效率、降低成本之外,实现塑料变柴油的另外一个前提条件就是塑料的回收和分类。塑料垃圾属于可回收类别,但是可回收里面还有纸张、饮料罐等,需要进一步进行精细分类。

  “如果把它和生活垃圾混在一起,再分类就很头痛,另外还要清洗,清洗过程又造成水污染。所以回收非常重要。”另外,黄正强调说,现在做的工作只是个开头,并不是说已经能够解决这个问题。

  能靠微生物实现塑料降解吗?

  关于微生物降解塑料的研究近年来多次见诸报端。2016年,日本京都科技大学小田耕平课题组就曾报道发现了一种相当有潜质的处理塑料的微生物;2017年,中国科学院昆明植物研究所许建初团队发现了塔宾曲霉菌对聚氨基甲酸酯的生物降解作用;此外关于合成生物的进展也让很多人对微生物降解塑料抱以期待。

  黄正说,用微生物降解塑料很有意义也很有趣,同时需要考虑的另外一点是,降解以后的产物怎么再利用。中国科学院动物研究所基因工程技术研究组组长、研究员王皓毅解释说,不太可能有一种微生物能降解所有塑料,一定是降解某一类塑料;能否实际应用不仅是科学问题,也涉及公共管理的问题,能够实现特定种类塑料的收集。

  此外,王皓毅指出:“现在人们还没有能力从头创建一种新的微生物。合成生物学的进展可以改变已有的微生物中的几个乃至几十个基因,可以把一整套由多种生物酶构成的化学反应体系在微生物中建立起来。生物体的化学反应效率是很高的,很多时候它可以比在体外催化有更高活性。如果未来利用合成生物学能得到具有良好降解塑料能力的微生物,它的应用还是需要考虑很多问题,需要将其可降解的类型的塑料做有效的分类集中,经过基因改造的微生物也需要严格保持与自然界的隔离,以避免影响其他微生物的生态平衡。要真正从实验室走到应用,这一系列合成生物学和生态的问题都需要一点一点攻克和解决。”


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