科企岛：新工艺可以实现更有效的塑料回收

塑料垃圾在海洋、土壤甚至我们体内的积累是现代主要的污染问题之一，迄今已处理超过 50 亿吨回收废铁。尽管在回收塑料产品方面做出了重大努力，但实际上如何利用这些杂乱无章的材料仍然是一个具有挑战性的问题。

一个关键问题是塑料有很多不同的种类，而将它们分解成可以以某种方式重复使用的形式的化学过程往往对每种类型的塑料都非常具体回收废铁。从汽水瓶到洗涤剂罐再到塑料玩具，对杂乱无章的废料进行分类是不切实际的。今天，通过回收计划收集的大部分塑料材料最终都进入了垃圾填埋场。肯定有更好的办法。

根据麻省理工学院和其他地方的新研究，似乎确实有更好的方法回收废铁。已发现使用基于钴的催化剂的化学过程非常有效地将多种塑料分解成单一产品，例如聚乙烯（PET）和聚丙烯（PP），这两种最广泛生产的塑料形式，丙烷。丙烷随后可用作炉灶、加热器和车辆的燃料，或用作生产各种产品（包括新塑料）的原料，从而可能提供至少部分闭环回收系统。

今天在开放获取期刊 JACS Au中描述了这一发现，该论文由麻省理工学院化学工程教授 Yuriy Román-Leshkov、博士后 Guido Zichitella 和麻省理工学院、SLAC 国家加速器实验室和国家可再生能源实验室的其他七人撰写回收废铁。

回收塑料一直是一个棘手的问题，Román-Leshkov 解释说，因为塑料中的长链分子通过碳键结合在一起，“非常稳定且难以分解”回收废铁。打破这些键的现有技术倾向于产生不同分子的随机混合，然后需要复杂的精炼方法来分离成可用的特定化合物。“问题是，”他说，“没有办法控制你在碳链的哪个位置破坏分子。”

但令研究人员惊讶的是，一种由称为沸石的微孔材料制成的催化剂，其中含有钴纳米粒子，可以选择性地分解各种塑料聚合物分子，并将其中的 80% 以上转化为丙烷回收废铁。

尽管沸石布满了小于一纳米宽的小孔（对应于聚合物链的宽度），但一个合乎逻辑的假设是沸石和聚合物之间几乎没有相互作用回收废铁。然而，令人惊讶的是，情况恰恰相反：不仅聚合物链进入孔隙，而且钴和沸石中的酸性位点之间的协同作用可以在同一点断裂链。事实证明，该裂解位点对应于仅切掉一个丙烷分子而不会产生不需要的甲烷，从而使其余较长的碳氢化合物一次又一次地准备好进行该过程。

“一旦有了丙烷这种化合物，就可以减轻下游分离的负担，”Román-Leshkov 说回收废铁。“这就是为什么我们认为这非常重要的本质。我们不仅打破了束缚，而且主要生产一种产品”，可用于许多不同的产品和工艺。

他说，该工艺所需的沸石和钴材料“都非常便宜”并且可以广泛使用，尽管今天大多数钴来自刚果民主共和国的动荡地区回收废铁。加拿大、古巴和其他地方正在开发一些新产品。该过程所需的另一种材料是氢气，如今氢气主要由化石燃料生产，但可以很容易地通过其他方式制成，包括使用太阳能或风能等无碳电力电解水。

研究人员在混合再生塑料的真实示例上测试了他们的系统，产生了可喜的结果回收废铁。但是需要对更多种类的混合废物流进行更多测试，以确定材料中的各种污染物产生了多少污染——例如墨水、胶水和塑料容器上的标签，或其他混入其中的非塑料材料与废物 - 以及这如何影响过程的长期稳定性。

与 NREL 的合作者一起，麻省理工学院的团队还在继续研究该系统的经济性，并分析它如何适应当今处理塑料和混合废物流的系统回收废铁。“我们还没有找到所有的答案，”Román-Leshkov 说，但初步分析看起来很有希望。

研究团队包括 SLAC 国家加速器实验室的 Amani Ebrahim 和 Simone Bare；麻省理工学院的朱洁、安娜·布伦纳、格里芬·德雷克和朱莉·罗勒；和国家可再生能源实验室的格雷格贝克汉姆回收废铁。这项工作得到了美国能源部 (DoE)、瑞士国家科学基金会、能源效率和可再生能源办公室、先进制造办公室 (AMO) 和生物能源技术办公室 (BETO) 的支持，作为生物优化技术使热塑性塑料远离垃圾填埋场和环境 (BOTTLE) 联盟。