化学回收打破塑料循环“魔咒”

 
 
化学回收打破塑料循环“魔咒”  
 

■本报记者 李惠钰

台风“烟花”过后，大量“白色垃圾”被海洋“吐”在了上海的江堤上，成堆的塑料泡沫、塑料袋、矿泉水瓶……让原本美丽的滨江森林公园一夜之间沦为垃圾场。

据统计，全球每年约有480万~1270万吨塑料被排放到海洋，并随着洋流扩散到世界各地，有的还会沉到海底最深处，甚至是马里亚纳海沟。

面对这一全球污染危机，开发新方法实现塑料回收和升级再造，成为当下研究热点。近日，国内外几个重磅进展的接连发布，为塑料循环经济带来曙光。

8月13日，美国康奈尔大学高分子化学家Geoffrey W. Coates课题组在《科学》发文，他们以溴化铟为催化剂，将聚缩醛塑料定量转化为单体，实现了塑料的闭环回收。

8月18日，清华大学化学系副教授段昊泓课题组在《自然—通讯》发文，他们使用储量丰富的金属基催化剂，将生活中常见的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料，升级转化为价值更高的化学材料和氢燃料。

多项研究表明，在催化技术的推动下，化学回收有望打破塑料循环“魔咒”，让数以亿吨的“白色垃圾”变废为宝。

塑料回收 催化有方

塑料是以单体为原料，通过加聚或缩聚反应聚合而成的高分子化合物。中国科学院长春应用化学研究所研究员王献红告诉《中国科学报》，目前废弃塑料的处理方式主要是焚烧、填埋，只有极少部分（低于10%）采用回收后物理或化学处理。物理处理只能以牺牲产品性能为代价降级使用，而绝大多数化学处理效率则很低，缺乏大规模应用的竞争力。

王献红对记者表示，为解决废弃塑料的再利用问题，一个新的概念迅速得到全世界高分子科学界的关注，该方法通过设计特定的单体合成高分子材料，再将其直接转化为原单体，从而实现资源循环和同级使用。

Coates课题组采用的就是这种方法。在论文中，他们提出了一种“可逆钝化阳离子开环聚合”策略，以溴化铟为催化剂、卤代甲基醚为引发剂，在质子捕捉剂（大位阻有机碱）下，成功得到分子量高达22万的聚缩醛，其力学性能媲美商业化聚烯烃，且具有高达98%的单体（1,3—二氧环戊烷）回收率。

“聚缩醛通常采用阳离子聚合方法得到，但是分子量较低（< 2万），因此聚缩醛的力学性能很差，无法实际应用。Coates课题组能够将高分子量聚缩醛定量转化为单体，为废弃塑料的化学利用带来了曙光。”王献红评价道。

对于塑料的化学回收，除了直接转化回单体，还可以将其升级再造，段昊泓课题组采取的路径就是后者。他们使用地球储量丰富的镍基和钴基催化剂，实现了高效升级回收高产物选择性，使得产物容易分离。经过电解和产物分离，PET塑料在室温下就可转化为价值更高的产品，如二甲酸钾（常用于饲料）以及氢燃料。

“从化学的角度，PET是一种聚酯塑料，很容易通过水解得到它的单体，但是单体的分离需要很高的成本，这是限制其产业化的主要原因。”论文第一作者、清华大学博士后周华告诉《中国科学报》，他们将PET升级回收为化学材料和燃料，也表明了以电化学升级回收策略清除塑料垃圾的潜力。

产业化仍存阻碍

相比机械回收，化学回收重要的优势之一是可以获得原始聚合物的质量、更高的塑料回收率。不过，化学回收虽然能为循环塑料经济助一臂之力，但要想展开大规模应用，每种方法都存在各自的缺陷。

将聚缩醛直接化学转化回单体，单体来源不确定就是一大问题。在王献红看来，“1,3—二氧环戊烷是个特殊单体，如何实现百万吨甚至千万吨的制备依然有很大的不确定性。仍然需要研究新单体的设计，尤其是便于大规模制备的单体”。

不仅如此，王献红对记者表示，从材料性能角度而言，尽管聚缩醛在力学性能上媲美聚烯烃，但其主链存在醚键（-OCH2CH2-，-OCH2-），因此抗氧化性、耐老化性都不如聚烯烃，同时耐温性和抗蠕变性也远低于聚烯烃，大大限制了应用范围。

此外，这种单体的回收工艺也十分复杂。王献红指出，Coates课题组的研究只是展示了聚缩醛可以直接转为单体这一特征，但其回收过程需要在较高温度（150℃）和有机强酸下进行，这会增加对设备的腐蚀度，提高回收成本。因此，未来仍需要研究单体回收的环保方案，如尝试在弱酸或不加酸的条件下回收。