一种新的化学工艺可以将目前废物流中的主要塑料蒸发，并将其转化为新塑料的碳氢化合物组成部分。
加州大学伯克利分校开发的催化工艺对两种主要的消费后塑料废物同样有效：聚乙烯(大多数一次性塑料袋的成分)和聚丙烯(从微波炉餐具到行李箱的硬质塑料的成分)。它还能有效降解这些塑料的混合物。
如果该工艺得以推广，将有助于实现许多一次性塑料的循环经济，将塑料废物转化回用于制造聚合物的单体，从而减少制造新塑料所需的化石燃料。20世纪80年代，人们设计了由聚酯聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成的透明塑料水瓶，以便通过这种方式回收。但与聚乙烯和聚丙烯塑料(称为聚烯烃)相比，聚酯塑料的体积微不足道。
领导这项研究的加州大学伯克利分校化学教授约翰哈特维格说：“从午餐袋到洗衣皂瓶到牛奶罐，我们日常用品中都含有大量的聚乙烯和聚丙烯——我们周围的很多东西都是由这些聚烯烃制成的。”
“原则上，我们现在可以做的是，通过我们设计的化学反应将这些物体带回到起始单体，从而切断通常稳定的碳碳键。通过这样做，我们比任何人都更接近使聚乙烯和聚丙烯具有与水瓶中的聚酯相同的循环性。”
Hartwig、研究生RichardJ.“RJ”Conk、加州大学伯克利分校研究生院教授化学工程师AlexisBell及其同事将在《科学》杂志上发表催化过程的细节。
塑料的循环经济
聚乙烯和聚丙烯塑料约占全球消费后塑料垃圾的三分之二。约80%的塑料最终被填埋、焚烧或直接扔到街上，最终往往以微塑料的形式流入溪流和海洋。其余的塑料则被回收利用，成为低价值塑料，用于制作铺面材料、花盆和叉勺。
为了减少这种浪费，研究人员一直在寻找将塑料转化为更有价值的东西的方法，例如聚合后生产新塑料的单体。这将为塑料创造一个循环聚合物经济，减少用石油制造新塑料的需求，因为石油会产生温室气体。
两年前，哈特维格和他的加州大学伯克利分校团队想出了一种将聚乙烯塑料袋分解成单体丙烯(也称为丙烯)的方法，然后可以重新用于制造聚丙烯塑料。
这一化学过程采用了三种不同的定制重金属催化剂：一种用于在聚乙烯聚合物上添加碳碳双键，另外两种用于在此双键处断开链，并反复剪掉碳原子，并与乙烯一起生成丙烯(C3H6)分子，直到聚合物消失。但催化剂溶解在液体反应中，寿命很短，因此很难以活性形式回收它们。
在新工艺中，昂贵的可溶性金属催化剂已被化学工业中常用的廉价固体催化剂所取代，用于可重复使用催化剂的连续流动工艺。连续流动工艺可以扩大规模，以处理大量材料。
在咨询了化学和生物分子工程系的非均相催化剂专家贝尔后，康克首次对这些催化剂进行了实验。
康克合成了一种氧化铝上的钠催化剂，发现它能有效地打断或裂解各种聚烯烃聚合物链，使其中一条链末端留下一个活性碳碳双键。第二种催化剂是二氧化硅上的氧化钨，它将链末端的碳原子添加到乙烯气体中，乙烯气体不断流过反应室，形成丙烯分子。后一个过程称为烯烃复分解，留下一个双键，催化剂可以反复接触，直到整个链转化为丙烯。
聚丙烯也会发生同样的反应，形成丙烯和一种叫做异丁烯的碳氢化合物的混合物。异丁烯在化学工业中用于制造从足球到化妆品等各种产品的聚合物，以及制造高辛烷值汽油添加剂。
令人惊讶的是，钨催化剂在断裂聚丙烯链方面比钠催化剂更有效。
“钠的价格低得可怜，”哈特维格说，“钨是一种储量丰富的金属，在化学工业中被大量使用，而我们的钌金属催化剂则更敏感、更昂贵。这种二氧化硅上的氧化钨和氧化铝上的钠的组合就像是将两种不同类型的污垢结合在一起，将整个聚合物链分解成更高的产量，从乙烯中分离出丙烯，从聚丙烯中分离出丙烯和异丁烯的混合物，这比我们用那些更复杂、更昂贵的催化剂得到的产量更高。”
就像一串珍珠
新催化剂的一个关键优势是，它们无需去除氢来在聚合物中形成可断裂的碳碳双键，而这是研究人员早期分解聚乙烯工艺的一个特点。这种双键是聚合物的致命弱点，就像聚酯或PET中的活性碳氧键使塑料更易于回收一样。聚乙烯和聚丙烯没有这个致命弱点——它们的长链单碳键非常坚固。
“把聚烯烃聚合物想象成一串珍珠，”哈特维格说。“末端的锁可以防止它们掉落。但是如果你把绳子从中间剪掉，现在你就可以一次取下一颗珍珠。”
这两种催化剂一起将几乎等量的聚乙烯和聚丙烯混合物转化为丙烯和异丁烯(两者均为室温气体)，转化效率接近90%。单独使用聚乙烯或聚丙烯时，转化率甚至更高。
Conk在反应室中添加了塑料添加剂和不同类型的塑料，以观察污染物对催化反应的影响。少量的这些杂质几乎不会影响转化效率，但少量的PET和聚氯乙烯(PVC)会显著降低效率。不过，这可能不是问题，因为回收方法已经按类型对塑料进行了分类。
哈特维格指出，虽然许多研究人员希望从头开始重新设计塑料，使其易于重复使用，但如今难以回收的塑料将成为未来几十年的问题。
“有人可能会说，我们应该废除所有聚乙烯和聚丙烯，只使用新的循环材料。但世界在未来几十年内都不会这样做。聚烯烃价格便宜，性能良好，所以每个人都在使用它们，”哈特维格说。“人们说，如果我们能找到一种方法使它们循环利用，那将是一件大事，而这正是我们所做的。我们可以开始想象一个可以做到这一点的商业工厂。”
这篇论文的其他合著者包括加州大学伯克利分校的研究生JulesStahler、JakeShi、NatalieLefton和JohnBrunn，以及劳伦斯伯克利国家实验室的JiYang。Shi、Hartwig和Bell也隶属于伯克利实验室。
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