一种创新的化学工艺能够有效地蒸发当前废物流中占主导地位的塑料，并将其转化为新塑料的碳氢化合物基础。
加州大学伯克利分校的研究团队开发的催化过程对两种主要的消费后塑料废物同样适用：聚乙烯，主要用于一次性塑料袋；以及聚丙烯，广泛用于硬塑料制品，如微波炉的盘子和行李箱。该工艺还能够有效降解这些塑料的混合物。
如果能够大规模应用，这一过程将为许多一次性塑料提供循环经济的解决方案，将塑料废物转化为制造聚合物的单体，从而减少新塑料生产中对化石燃料的依赖。透明的塑料水瓶由聚四苯二甲酸乙二醇酯（PET）制成，这种聚酯在20世纪80年代设计时就考虑到了回收利用的可能性。然而，与聚乙烯和聚丙烯塑料相比，聚酯塑料的数量相对较少。
负责这项研究的加州大学伯克利分校化学教授约翰·哈特威格表示：“我们的日常用品中充满了聚乙烯和聚丙烯，从午餐袋到洗衣皂瓶再到牛奶壶，这些聚烯烃无处不在。”他补充道：“我们现在能够做到的是，通过我们设计的化学反应，将这些物体转化回最初的单体，这些反应能够分裂通常稳定的碳-碳键。通过这种方式，我们比以往任何时候都更接近于为聚乙烯和聚丙烯提供与水瓶中聚酯相同的循环性。”
Hartwig与研究生Richard J. “RJ” Conk、加州大学伯克利分校的化学工程教授Alexis Bell及其团队将在即将出版的《科学》杂志上详细介绍这一催化过程。
循环生态塑料经济
聚乙烯和聚丙烯塑料约占全球消费后塑料废物的三分之二。大约80%的塑料最终被填埋、焚烧或随意丢弃，通常以微塑料的形式进入水体和海洋。其余的塑料则被回收为低价值的产品，如装饰材料、花盆和餐具。
为了减少这种浪费，研究人员一直在探索将塑料转化为更有价值的产品的方法，例如聚合生产新塑料的单体。这将为塑料创造一个循环聚合物经济，减少从石油中制造新塑料所产生的温室气体。
两年前，Hartwig和他的团队提出了一种将聚乙烯塑料袋分解为单体丙烯的工艺，这些丙烯可以重复使用来制造聚丙烯塑料。该化学过程使用了三种不同的定制重金属催化剂：一种是在聚乙烯聚合物上添加碳-碳双键，另外两种则是在这个双键上断开链，反复剪掉一个碳原子，和乙烯一起生成丙烯（C3H6）分子，直到聚合物完全消失。然而，催化剂在液体反应中容易溶解，寿命短，难以以活性形式回收。
在新工艺中，昂贵的可溶性金属催化剂被化学工业中常用的更便宜的固体催化剂所取代，以实现催化剂的重复使用。连续流工艺可以大规模处理大量材料。
Conk在咨询了化学与生物分子工程系的多相催化剂专家Bell后，首次对这些催化剂进行了实验。
Conk在氧化铝上合成了一种钠催化剂，发现其能够有效地破坏或裂解各种聚烯烃聚合物链，使其中一块的末端形成活性碳-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与乙烯气体结合，乙烯气体不断流过反应室，形成丙烯分子。该过程称为烯烃复分解，能够留下一个双键，催化剂可以不断接触这个双键，直到整个链转化为丙烯。
类似的反应也发生在聚丙烯上，形成丙烯和一种称为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，并作为高辛烷值汽油添加剂。
令人惊讶的是，钨催化剂在破坏聚丙烯链方面的效率甚至超过了钠催化剂。
“没有比钠更便宜的了，”Hartwig说。“钨是一种储量丰富的金属，在化学工业中被广泛使用，而我们的钌金属催化剂则更敏感且昂贵。二氧化硅上的氧化钨和氧化铝上的钠的组合就像将两种不同类型的污垢结合在一起，能够有效分解整个聚合物链，从乙烯中获得更高产量的丙烯，从聚丙烯中获得丙烯和异丁烯的组合，而不是使用那些更复杂、更昂贵的催化剂。”
像一串珍珠
新催化剂的一个关键优势在于，它们不需要去除氢，从而在聚合物中形成易碎的碳-碳双键，这是研究人员早期解构聚乙烯过程的一个特点。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。聚乙烯和聚丙烯则没有这个致命弱点——它们的长链单碳键非常牢固。
“把聚烯烃聚合物想象成一串珍珠，”Hartwig说。“末端的锁可以防止它们掉落。但是如果你从中间夹住绳子，现在你可以一次取出一颗珍珠。”
这两种催化剂结合在室温下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——两者都是气体——效率接近90%。单独处理聚乙烯或聚丙烯时，收率甚至更高。
Conk在反应室中加入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。少量的杂质几乎不影响转化效率，但少量的PET和聚氯乙烯（PVC）则显著降低了效率。然而，这可能不是问题，因为回收方法已经将塑料按类型分开了。
哈特威格指出，尽管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，但今天难以回收的塑料将成为未来几十年的问题。
“有人可能会说，我们应该放弃所有的聚乙烯和聚丙烯，只使用新的可循环材料。但在未来的几十年里，世界不可能做到这一点。聚烯烃价格便宜，性能优越，因此每个人都在使用它们。”Hartwig说。“人们说，如果我们能找到一种方法让它们变成可循环的，那将是一件大事，而我们已经做到了。人们可以开始想象一个商业工厂可以做到这一点。”
该论文的其他共同作者包括加州大学伯克利分校的研究生Jules Stahler、Jake Shi、Natalie Lefton和John Brunn，以及劳伦斯伯克利国家实验室的Ji Yang。施、哈特威格和贝尔也隶属于伯克利实验室。这项工作由美国能源部资助（DE-AC02-05CH11231）。
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