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塑料垃圾變柴油還有多遠
來源:中國科學報 發布時間: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”。

  關于減塑及塑料垃圾處理的問題在世界各國及不同行業領域裏都備受關注。近日,第46期理解未來講座就邀請科學家和藝術家坐到了一起,分享彼此對于塑料的諸多觀點。其中,上海有機化學研究所金屬有機化學國家重點實驗室課題組長、研究員、博士生導師黃正分享了關于聚乙烯廢塑料降解的研究,在科學家們的不斷努力下,塑料垃圾也能變廢爲寶,比如轉化爲柴油。

  塑料如何變柴油

  如果在搜索引擎輸入“塑料變柴油”,會顯示一些騙局新聞,也有人將它視作和“水變油”一樣的詐騙行爲。但事實上塑料變柴油卻並非天方夜譚,只是要真正達到量産還需要諸多步驟。

  塑料爲何能變柴油呢?黃正向《中國科學報》介紹說,大部分塑料都來自于石油氣。“很多塑料最初都是來自石油,石油裂解産生了乙烯、丁二烯等物質,而它們是生産塑料的原料。”

  身爲一名化學家,就會考慮塑料的降解是否可以從哪裏來到哪裏去。黃正解釋說:“聚乙烯廢塑料是理想的燃油,成分與柴油、汽油的組成是一樣的,如果能把它用起來,它不含硫、氮這些雜原子。關鍵在這裏面,塑料袋是固體,汽油、柴油是液體,我們應該把它降解下來,把它的分子變小才可以拿來用。”

  將高分子量的聚乙烯類的廢塑料進行降解是他和團隊長久以來的重點研究方向之一,希望通過催化劑的設計與發展,把塑料轉化爲高附加值的産品——“比如把聚乙烯在溫和條件下降解選擇性生成燃油”。

  既有的辦法是通過熱裂解技術實現。“但這個辦法能量效率低,溫度往往要大約400攝氏度,並且高溫情況下塑料會産生各種各樣的産物,包括烷烴、芳烴、烯烴。這個産物可以是汽、油或蠟,非常複雜,使它的利用率很低。”

  黃正采用了交叉烷烴複分解催化的策略。研究團隊使用價廉量大的低碳烷烴作爲反應試劑和溶劑,通過與聚乙烯發生重組反應,有效降低聚乙烯的分子量和長度。在反應體系中低碳烷烴過量存在,可多次參與與聚乙烯的重組反應,直至把分子量上萬,甚至上百萬的聚乙烯降解爲清潔柴油。

  “這個工作主要基于用一種雙金屬催化烷烴複分解的方法,這是2006年Goldman、Brookhart發在《科學》上的工作。我們想用交叉烷烴複分解,把聚乙烯降解下來,在較溫和的條件下,如在小于200攝氏度的情況下,將高分子量的聚合物降解爲低分子的燃油烷烴。”黃正向《中國科學報》進一步解釋說,“高分子聚乙烯與小分子烷烴進行重組,小分子烷烴把高分子像剪刀一樣剪斷了,剪斷以後證明它的分子量就降低了,而且在這裏面,小分子烷烴是大量過量的,有很多把剪刀可以不斷地把高分子的一條長鏈剪斷,進而變成燃油的烷烴。”

  實現量産有前提

  有了這項技術,日常生活中的聚乙烯廢塑料,比如塑料瓶、保鮮膜、塑料袋等就可以降解成清潔燃油。但是,前提是催化劑效率的進一步提高,以及廢塑料的分類回收。

  黃正介紹說,目前研究中催化劑的使用量相對較大,催化劑跟廢塑料質量比,大約能做到1到100左右;但如果要真正實現量産,比例則要提升到1比10萬,甚至1比100萬。也就是說,加入1克的催化劑就可以將100萬克的廢塑料降解。“達到這個效率的時候,催化劑就有機會實現量産,這正是我們目前努力的方向,把催化劑效率提高,降低催化劑的用量。”

  黃正的學生賈香清博士研究發現,钇催化劑和铼催化劑可以將聚合物降解,把聚乙烯降解成在分子量可以適用于作爲柴油的烷烴。但钇和铼兩個都是貴金屬,價格不菲。黃正表示:“一方面我們在考慮催化劑的回收利用,另外也在考慮是否能用廉價的金屬,比如鐵來做代替。”

  除了進一步提高催化效率、降低成本之外,實現塑料變柴油的另外一個前提條件就是塑料的回收和分類。塑料垃圾屬于可回收類別,但是可回收裏面還有紙張、飲料罐等,需要進一步進行精細分類。

  “如果把它和生活垃圾混在一起,再分類就很頭痛,另外還要清洗,清洗過程又造成水汙染。所以回收非常重要。”另外,黃正強調說,現在做的工作只是個開頭,並不是說已經能夠解決這個問題。

  能靠微生物實現塑料降解嗎?

  關于微生物降解塑料的研究近年來多次見諸報端。2016年,日本京都科技大學小田耕平課題組就曾報道發現了一種相當有潛質的處理塑料的微生物;2017年,中國科學院昆明植物研究所許建初團隊發現了塔賓曲黴菌對聚氨基甲酸酯的生物降解作用;此外關于合成生物的進展也讓很多人對微生物降解塑料抱以期待。

  黃正說,用微生物降解塑料很有意義也很有趣,同時需要考慮的另外一點是,降解以後的産物怎麽再利用。中國科學院動物研究所基因工程技術研究組組長、研究員王皓毅解釋說,不太可能有一種微生物能降解所有塑料,一定是降解某一類塑料;能否實際應用不僅是科學問題,也涉及公共管理的問題,能夠實現特定種類塑料的收集。

  此外,王皓毅指出:“現在人們還沒有能力從頭創建一種新的微生物。合成生物學的進展可以改變已有的微生物中的幾個乃至幾十個基因,可以把一整套由多種生物酶構成的化學反應體系在微生物中建立起來。生物體的化學反應效率是很高的,很多時候它可以比在體外催化有更高活性。如果未來利用合成生物學能得到具有良好降解塑料能力的微生物,它的應用還是需要考慮很多問題,需要將其可降解的類型的塑料做有效的分類集中,經過基因改造的微生物也需要嚴格保持與自然界的隔離,以避免影響其他微生物的生態平衡。要真正從實驗室走到應用,這一系列合成生物學和生態的問題都需要一點一點攻克和解決。”


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