革命性工艺将塑料废弃物转化为有价值的化学品

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弃物同样有效：聚乙烯（大多数一次性塑料袋的成分）和聚丙烯（硬塑料的成分，从微波炉盘子到行李箱）。它还能有效降解这些类型的混合塑料。

这一工艺如果得到推广，将有助于实现许多废弃塑料的循环经济，将塑料废料重新转化为用于制造聚合物的单体，从而减少用于制造新塑料的化石燃料。

上世纪 80 年代，由聚酯类聚四氟乙酸乙二醇酯（PET）制成的透明塑料水瓶就是以这种方式设计回收的。但与被称为聚烯烃的聚乙烯和聚丙烯塑料相比，聚酯塑料的用量微乎其微。

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（John Hartwig）说："我们的日常用品中含有大量的聚乙烯和聚丙烯，从午餐袋到洗衣皂瓶再到牛奶瓶--我们身边的很多东西都是由这些聚烯烃制成的。我们现在能做的，原则上是通过我们设计的化学反应，裂解通常稳定的碳-碳键，把这些物体还原成起始单体。通过这样做，我们比任何人都更接近于为聚乙烯和聚丙烯提供与水瓶中的聚酯相同的循环性。"

哈特维格、研究生理查德-J-"RJ"-康克（Richard J."RJ"Conk）、化学工程师亚历克西斯-贝尔（Alexis Bell，加州大学伯克利分校研究生院教授）及其同事于 8 月 29 日在《科学》杂志上发表了催化过程的细节。

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。约有 80% 的塑料最终被填埋、焚烧或直接扔到大街上，通常在溪流和海洋中形成微塑料。其余的则作为低价值塑料被回收利用，成为装饰材料、花盆和叉子。

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，例如聚合生产新塑料的单体。这将创造塑料的循环聚合物经济，减少用石油制造新塑料的需要，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提出了一种将聚乙烯塑料袋分解成单体丙烯（也称丙烯）的工艺，这种单体丙烯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：一种催化剂在聚乙烯聚合物中加入碳碳双键，另外两种催化剂在双键处断开链条，反复剪切一个碳原子，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。

研究生 RJ Conk 在调整反应室，在反应室中，混合塑料被降解为可重复使用的新聚合物构件。资料来源：罗伯特-桑德斯/加州大学伯克利分校

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更便宜的固体催化剂所取代，用于可重复使用催化剂的连续流工艺。连续流工艺可按比例放大，以处理大量材料。

康克在向化学与生物分子工程系的异质催化剂专家贝尔咨询后，首次尝试使用这些催化剂。康克在氧化铝上合成了一种钠催化剂，他发现这种催化剂能有效地断裂或裂解各种聚烯烃聚合物链，使两部分中的一部分在末端带有活性碳-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，乙烯气体不断流经反应室，形成丙烯分子。后一个过程被称为烯烃偏聚，会留下一个双键，催化剂可以一次又一次地进入该双键，直到整条链都转化为丙烯。

聚丙烯也会发生同样的反应，生成丙烯和一种叫做异丁烯的碳氢化合物。异丁烯在化学工业中用于制造聚合物，产品范围从足球到化妆品，还可用于制造高辛烷值汽油添加剂。

令人惊讶的是，钨催化剂比钠催化剂更能有效地打断聚丙烯链。

"没有比钠更便宜的了，"哈特维格说。"钨是一种在化学工业中大规模使用的富土金属，而我们的钌金属催化剂则更为敏感和昂贵。二氧化硅上的氧化钨和氧化铝上的钠的这种组合就像两种不同类型的泥土，让它们一起分解整个聚合物链，从乙烯中生成丙烯，从聚丙烯中生成丙烯和异丁烯的产量甚至比我们用那些更复杂、更昂贵的催化剂生成的产量更高。"

新型催化剂的一个主要优点是，它们无需去除氢来在聚合物中形成可断裂的碳碳双键，而这正是研究人员早期解构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-氧键使塑料更容易回收一样。聚乙烯和聚丙烯没有这种致命弱点--它们的单碳键长链非常坚固。

"把聚烯烃聚合物想象成一串珍珠，"哈特维格说。"末端的锁可以防止珍珠掉落。但如果你把绳子夹在中间，就可以一次取出一颗珍珠了。"

这两种催化剂共同将几乎相等的聚乙烯和聚丙烯混合物转化为丙烯和异丁烯（均为室温下的气体），转化效率接近 90%。对于单独的聚乙烯或聚丙烯，产量甚至更高。

康克在反应室中加入了塑料添加剂和不同类型的塑料，以观察杂质对催化反应的影响。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）则会大大降低转化效率。不过，这可能不是问题，因为回收方法已经将塑料按类型分开。

哈特维格指出，虽然许多研究人员希望从根本上重新设计塑料，使其易于重复使用，但目前难以回收的塑料将在几十年内成为一个问题。

"有人会说，我们应该取消所有的聚乙烯和聚丙烯，只使用新的循环材料。但几十年来，世界都不会这样做。聚烯烃价格便宜，而且性能良好，所以大家都在使用，"哈特维格说。"人们说，如果我们能想出办法让它们变成圆形，那将是一件大事，而这正是我们所做的。我们已经做到了这一点。人们可以开始想象一家商业工厂能做到这一点。"

编译自/ScitechDaily