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新技术:将塑料垃圾转化为肥皂洗涤剂等

2023/9/25 19:55:00 来源: 评论(0)76

洗涤剂

  弗吉尼亚理工大学的研究人员开发出一种新技术,可将塑料回收利用,制成有价值的化学物质--表面活性剂,用于制造肥皂、洗涤剂等。塑料和肥皂在质地、外观以及最重要的使用方式方面往往没有什么共同之处。但在分子水平上,两者之间却有着惊人的联系: 聚乙烯是当今世界上最常用的塑料之一,其化学结构与用作肥皂化学前体的脂肪酸极为相似。这两种材料都是由长长的碳链组成,但脂肪酸在碳链末端多了一个原子团。

  长期以来,弗吉尼亚理工大学理学院化学副教授刘国良一直认为,这种相似性意味着将聚乙烯转化为脂肪酸是可能的,只需增加几个步骤,就能生产出肥皂。目前的挑战是如何将长聚乙烯链分解成许多短链,但又不能太短,以及如何高效地完成这一过程。刘认为,一种新的升级再造方法很有潜力,它可以将低价值的塑料废物转化为高价值的有用商品。

  刘国梁在他位于南哈恩厅的实验室里拿着一个普通水壶。图片来源:弗吉尼亚理工大学 Steven Mackay 供图。

  在考虑这个问题一段时间后,刘国梁在一个冬天的夜晚在壁炉旁享受炉火时突然有了灵感。他看着从火堆中升起的烟雾,想到烟雾是由木材燃烧时产生的微小颗粒组成的。

  虽然出于安全和环保的考虑,塑料绝不能在壁炉中燃烧,但刘开始思考,如果聚乙烯可以在安全的实验室环境中燃烧,会发生什么情况。聚乙烯的不完全燃烧是否会像木材燃烧一样产生"烟雾"?如果有人能捕捉到这些烟雾,它又是由什么构成的呢?

  "木柴的主要成分是纤维素等聚合物。木柴燃烧时会将这些聚合物分解成短链,然后在完全氧化成二氧化碳之前变成小的气态分子,"化学系布莱克伍德生命科学青年教师奖学金获得者刘说。"如果我们同样分解合成聚乙烯分子,但在它们完全分解成小气态分子之前停止这一过程,那么我们就应该得到类似聚乙烯的短链分子。"

  在刘博士实验室的两名化学博士生徐震(音译)和埃里克-穆尼亚内扎(音译)的帮助下,刘博士建造了一个类似烤箱的小型反应器,在这个反应器中,他们可以通过一种叫做温度梯度热解的过程加热聚乙烯。在底部,烤箱处于足以破坏聚合物链的高温,而在顶部,烤箱被冷却到足够低的温度,以阻止任何进一步的破坏。热解结束后,他们收集了残留物--类似于清理烟囱里的烟灰--发现刘的预感是正确的:残留物由"短链聚乙烯"组成,更准确地说,是蜡。

  在油浴中加热装有由废弃聚乙烯和聚丙烯产生的蜡的烧瓶,蜡在气流的作用下通过催化氧化生成脂肪酸。图片来源:弗吉尼亚理工大学 Steven Mackay 供图。

  这是开发塑料肥皂升级再循环方法的第一步。在增加了皂化等几个步骤后,研究小组用塑料制成了世界上第一块肥皂。为了继续推进这一过程,该团队寻求了计算建模、经济分析等方面专家的帮助。

  通过与弗吉尼亚理工大学大分子创新研究所的联系,团队认识了其中一些专家。他们一起记录并完善了升级再循环过程,直到可以与科学界分享为止。这项工作最近发表在《科学》杂志上。

  "我们的研究展示了一条无需使用新型催化剂或复杂程序的塑料升级再循环新途径。在这项工作中,我们展示了串联策略在塑料回收方面的潜力,"论文第一作者徐说。"这将启迪人们在未来开发出更具创造性的升级再循环程序设计"。

  虽然聚乙烯是启发这个项目的塑料,但这种升级再造方法也可以用于另一种塑料,即聚丙烯。从产品包装、食品容器到织物,这两种材料构成了消费者每天接触到的大部分塑料。刘国梁的新升级再造方法的一个令人兴奋的特点是,它可以同时用于这两种塑料,这意味着无需将这两种塑料分开。与目前使用的一些回收方法相比,这是一个重大优势,因为后者需要对塑料进行仔细分类,以避免污染。由于这两种塑料非常相似,因此分类过程相当困难。

  (左起)Eric Munyaneza 和 刘国梁在南哈恩厅的实验室里准备将塑料材料升级再造为脂肪酸液体。Munyaneza也是《科学》杂志研究报告的作者之一。图片来源:弗吉尼亚理工大学 Steven Mackay 供图。

  升级再循环技术的另一个好处是它的要求非常简单:塑料和热量。虽然该工艺的后期步骤需要一些额外成分将蜡分子转化为脂肪酸和肥皂,但塑料的初始转化是一个直接的反应。因此,这种方法不仅成本效益高,而且对环境的影响相对较小。

  要想使升级再造大规模有效,最终产品必须有足够的价值来弥补工艺成本,使其在经济上比其他回收方案更具吸引力。

  虽然肥皂最初看起来并不像一种特别昂贵的商品,但按重量比较,肥皂的价值实际上是塑料的两倍或三倍。目前,肥皂和洗涤剂的平均价格约为每公吨 3550 美元,而聚乙烯的价格约为每公吨 1150 美元。此外,肥皂和相关产品的需求量与塑料的需求量相当。

  刘说,这项研究为通过将废旧塑料用于生产其他有用材料来减少废物的新方法奠定了基础。随着时间的推移,他希望世界各地的回收设施都能开始采用这种技术。届时,消费者将有机会购买到革命性的可持续肥皂产品,从而减少垃圾填埋场中的塑料垃圾。出于这个原因,将塑料转化为肥皂在经济上是可行的,他同时也是纳米科学项目的一名附属教师,该项目隶属于理学院的综合科学院以及弗吉尼亚理工大学工程学院的材料科学与工程系。

  "应该认识到,塑料污染是一个全球性挑战,而不是几个主流国家的问题。与复杂的工艺和复杂的催化剂或试剂相比,简单的工艺可能更容易为世界上许多其他国家所接受,"徐说。"我希望这能成为抗击塑料污染战争的一个良好开端。


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