惠及你我|塑料垃圾回收再利用新技術，差異這么大竟然還能轉化！

　　弗吉尼亞理工大學的研究團隊開發了一項新技術，能夠將塑料回收再利用，并將其轉化為有價值的化學物質——表面活性劑。這種表面活性劑可以用于制造肥皂、洗滌劑等產品。盡管塑料和肥皂在質地、外觀以及使用方式上存在很大差異，但在分子水平上卻有著驚人的聯系。

　　聚乙烯是當今世界最常用的塑料之一，其化學結構與用作肥皂化學前體的脂肪酸非常相似。這兩種材料都是由長長的碳鏈組成，但脂肪酸在碳鏈末端多了一個原子團。這種相似性意味著將聚乙烯轉化為脂肪酸是可能的，只需增加幾個步驟，就能生產出肥皂。然而，目前的挑戰是如何將長聚乙烯鏈分解成許多短鏈，但又不能太短，同時還要高效地完成這一過程。

　　弗吉尼亞理工大學理學院化學副教授劉國良，一直認為這種相似性意味著將聚乙烯轉化為肥皂化學前體是可行的。他指出，一種新的升級再造方法可以有效地將低價值的塑料廢物轉化為高價值的有用商品。

　　塑料有哪些？

　　塑料根據其熱性能和分子結構，可以分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩大類。

　　熱塑性塑料在一定的溫度和壓力下，可以反復加工和回收利用。常見的熱塑性塑料包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚甲醛（POM）、聚酰胺（PA）和聚碳酸酯（PC）等。其中，PE是世界上產量最大的塑料，被廣泛應用于包裝、家具、玩具、管道等領域；PP則因其強度高、耐熱性好、密度低等特點，被廣泛應用于汽車、家電、日用品等領域。

　　熱固性塑料在加熱和壓力作用下，會發生化學反應，形成交聯網絡結構，從而固定其形狀和性質。常見的熱固性塑料包括酚醛樹脂（PF）、環氧樹脂（EP）、氨基樹脂、醇酸樹脂、烯丙基樹脂、脲甲醛樹脂（UF)、三聚氰胺樹脂等。這些塑料多用于制造電子、電氣、汽車、家具等領域，例如酚醛樹脂用于制造電路板、環氧樹脂用于粘合劑和涂料等。

　　此外，根據塑料的用途，還可以分為通用塑料和工程塑料。通用塑料包括聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等，主要用于包裝、裝飾、管道等領域。工程塑料則具有更高的機械強度、耐熱性、絕緣性等特性，主要用于汽車、航空航天、電子電氣等領域，如聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛等。總之，塑料是一種用途廣泛、種類繁多的高分子材料，其性能和應用領域會根據不同的分子結構和加工工藝而有所不同。

　　塑料的處理方法主要有以下幾種：

　　填埋：這是處理廢舊塑料的傳統方式。但是，由于塑料密度小、體積大、不易分解，嚴重妨礙地下水滲透，塑料中的添加劑會造成土地的二次污染，因此填埋并不是理想的處理方法。

　　焚燒：焚燒是廣泛使用的一種方法。焚燒可產生大量的熱能，但焚燒塑料垃圾會產生大量有毒有害氣體，釋放出有害物質，因此需要通過完善的控制系統讓塑料垃圾燃燒充分，再配套完善的煙氣凈化系統進行處理，以控制污染的發生。

　　造粒再生：這是物理性回收利用塑料垃圾的方法。大多數可回收的塑料經機械加工分解成顆粒，然后重新制造成新的塑料產品，如包裝材料、座椅或衣物等。但是，再生造粒方法不適用于塑料薄膜、小袋和其他層壓塑料，這些材料通常會被送到垃圾填埋場或進行焚燒。

　　熱裂解：廢舊塑料熱裂解是一種化學分解方法。運用此技術可以將廢塑料轉化為燃料油、炭黑、可燃氣體等高附加值能源產品。但是，熱裂解技術需要完善的設備和操作條件，因此成本相對較高。

　　肥皂的制作方法：

　　油脂和氫氧化鈉共煮，水解成高級脂肪酸鈉和甘油，高級脂肪酸鈉經過加工成型即是肥皂。

　　制作步驟為：

　　準備好燒杯、玻璃棒、酒精燈、石棉網、三腳架、豬油、氫氧化鈉、酒精、飽和食鹽水。

　　取豬油和酒精放入燒杯里，加入氫氧化鈉溶液。玻璃棒攪拌，使它溶解。

　　燒杯放在石棉網上用小火加熱，酒精和水的混合液，使其體積保持不變。

　　加熱后皂化反應基本完成，將熱蒸餾水加入其中，攪拌使其互溶。再將混合液體倒入熱飽和食鹽水溶液中，一邊加一邊攪拌，待靜置后，肥皂會慢慢析出，等到全部析出凝固后，用玻璃棒取出即可。

　　新技術形成

　　在冬夜的壁爐旁，劉國梁沉思著塑料回收的問題。當他看到火堆中升騰的煙霧，他開始思考，如果將聚乙烯在安全的實驗室環境中燃燒，會發生什么情況。他推測，聚乙烯的不完全燃燒可能會產生類似木材燃燒時產生的“煙霧”。

　　作為布萊克伍德生命科學青年教師獎學金的獲得者，劉國梁博士在化學系開展研究。他認為，如果能夠分解合成聚乙烯分子，但在它們完全分解成小氣態分子之前停止這一過程，那么就應該得到類似聚乙烯的短鏈分子。

　　在劉博士的指導下，化學博士生徐震和埃里克-穆尼亞內扎協助進行實驗。他們建造了一個小型反應器，通過一種叫做溫度梯度熱解的過程加熱聚乙烯。底部的高溫足以破壞聚合物鏈，而頂部的低溫則阻止了進一步的破壞。熱解結束后，他們收集了殘留物——清理煙囪里的煙灰——并發現劉的預感是正確的：殘留物由“短鏈聚乙烯”組成，更準確地說，是蠟。這是開發塑料肥皂升級再循環方法的第一步。在增加了皂化等幾個步驟后，研究小組用塑料制成了世界上第一塊肥皂。為了繼續推進這一過程，該團隊尋求了計算建模、經濟分析等方面專家的幫助。

　　通過與弗吉尼亞理工大學大分子創新研究所的聯系，團隊認識了其中一些專家。他們一起記錄并完善了升級再循環過程，直到可以與科學界分享為止。這項工作最近發表在《科學》雜志上。

　　該團隊的研究展示了一條無需使用新型催化劑或復雜程序的塑料升級再循環新途徑。在這項工作中，他們展示了串聯策略在塑料回收方面的潛力。這將啟迪人們在未來開發出更具創造性的升級再循環程序設計。

　　雖然聚乙烯是啟發這個項目的塑料，但這種升級再造方法也可以用于另一種塑料，即聚丙烯。從產品包裝、食品容器到織物，這兩種材料構成了消費者每天接觸到的大部分塑料。劉國梁的新升級再造方法的一個令人興奮的特點是，它可以同時用于這兩種塑料，這意味著無需將這兩種塑料分開。與目前使用的一些回收方法相比，這是一個重大優勢，因為后者需要對塑料進行仔細分類，以避免污染。

　　升級再循環技術的另一個好處是它的要求非常簡單：塑料和熱量。雖然該工藝的后期步驟需要一些額外成分將蠟分子轉化為脂肪酸和肥皂，但塑料的初始轉化是一個直接的反應。因此，這種方法不僅成本效益高，而且對環境的影響相對較小。

　　要想使升級再造大規模有效，最終產品必須有足夠的價值來彌補工藝成本，使其在經濟上比其他回收方案更具吸引力。雖然肥皂最初看起來并不像一種特別昂貴的商品，但按重量比較，肥皂的價值實際上是塑料的兩倍或三倍。目前，肥皂和洗滌劑的平均價格約為每公噸 3550 美元，而聚乙烯的價格約為每公噸 1150 美元。此外，肥皂和相關產品的需求量與塑料的需求量相當。

　　劉博士希望世界各地的回收設施都能開始采用這種技術。屆時，消費者將有機會購買到革命性的可持續肥皂產品，從而減少垃圾填埋場中的塑料垃圾。出于這個原因，將塑料轉化為肥皂在經濟上是可行的。他同時也是納米科學項目的一名附屬教師，該項目隸屬于理學院的綜合科學院以及弗吉尼亞理工大學工程學院的材料科學與工程系。

　　“應該認識到，塑料污染是一個全球性挑戰，而不是幾個主流國家的問題。與復雜的工藝和復雜的催化劑或試劑相比，簡單的工藝可能更容易為世界上許多其他國家所接受，”徐震說。“我希望這能成為抗擊塑料污染戰爭的一個良好開端。”

　　補充：

　　聚乙烯鏈分解為短鏈的方法：

　　美國加州大學伯克利分校和勞倫斯·伯克利國家實驗室開發出一項新工藝，使用催化劑將長聚乙烯（PE）聚合物分解成均勻的短鏈，即三碳分子丙烯，這是制造其他高價值塑料（如聚丙烯）的原料。新工藝將聚乙烯解聚并轉化為丙烯，是一種升級循環的方式，可從基本已經一文不值的廢物中生產更高價值的產品，同時減少化石燃料的使用。新工藝需要用催化劑打破聚乙烯上的兩個碳氫鍵，研究人員最初采用的是銥催化劑，后來是鉑—錫和鉑—鋅催化劑，以創造一個活性的碳—碳雙鍵。有了這個“缺口”，就可以通過與乙烯和另外兩種協同反應的催化劑進行反應，從而解開聚合物的鏈條。接著，研究人員添加由鈀制成的第二種催化劑，使丙烯分子（三碳分子）能夠反復地從反應端被剪除。 結果表明，80%的聚乙烯被還原為丙烯。