一种新的化学工艺可以从本质上蒸发掉目前在废物流中占主导地位的塑料，并将它们转化为制造新塑料的碳氢化合物基石。
加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)开发的催化过程对两种主要的消费后塑料废物同样有效:聚乙烯，大多数一次性塑料袋的成分;还有聚丙烯，硬塑料的材料，从微波炉的盘子到行李箱。它还能有效地降解这些塑料的混合物。
如果扩大规模，这一过程可能有助于为许多一次性塑料带来循环经济，塑料废物将被转化为用于制造聚合物的单体，从而减少用于制造新塑料的化石燃料。透明的塑料水瓶由聚四苯二甲酸乙二醇酯(PET)，一种聚酯制成，在20世纪80年代被设计成可以通过这种方式回收。但与聚乙烯和聚丙烯塑料(即聚烯烃)相比，聚酯塑料的体积很小。
领导这项研究的加州大学伯克利分校化学教授约翰·哈特威格说:“从午餐袋到洗衣皂瓶再到牛奶壶，日常用品中都含有大量的聚乙烯和聚丙烯。我们周围的很多东西都是由这些聚烯烃制成的。”
“原则上，我们现在能做的是，通过我们设计的化学反应，将这些物体带回到开始的单体，这些化学反应会分裂通常稳定的碳-碳键。通过这样做，我们比任何人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，研究生Richard J。“RJ”Conk、加州大学伯克利分校研究生院教授、化学工程师Alexis Bell和他们的同事将在《科学》杂志上发表催化过程的细节。
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，焚烧或直接扔到街上，通常以微塑料的形式进入溪流和海洋。其余的被回收为低价值塑料，成为装饰材料、花盆和叉子。
为了减少这种浪费，研究人员一直在寻找将塑料转化为更有价值的东西的方法，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，减少从产生温室气体的石油中制造新塑料的需求。
两年前，Hartwig和他的加州大学伯克利分校团队提出了一种将聚乙烯塑料袋分解成单体丙烯(也称为丙烯)的方法，这种方法可以重复使用来制造聚丙烯塑料。
这个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，另两种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，直到聚合物消失。但催化剂溶解在液体反应中，寿命很短，很难以活性形式回收它们。
在新工艺中，昂贵的可溶性金属催化剂已被化学工业中常用的更便宜的固体催化剂所取代，用于重复使用催化剂的连续流工艺。连续流过程可以扩大规模，以处理大量的材料。
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，他发现这种催化剂能有效地破坏或裂解各种聚烯烃聚合物链，使其中一块的末端有一个活性碳-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加入乙烯气体中，乙烯气体不断流过反应室，形成丙烯分子。后一种过程称为烯烃复分解，它会留下一个双键，催化剂可以不断地接触这个双键，直到整个链转化为丙烯。
同样的反应也发生在聚丙烯上，形成丙烯和一种叫做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，并用于制造高辛烷值的汽油添加剂。
令人惊讶的是，钨催化剂在破坏聚丙烯链方面甚至比钠催化剂更有效。
“没有比钠更便宜的了，”Hartwig说。“钨是一种储量丰富的金属，在化学工业中大规模使用，而我们的钌金属催化剂更敏感，更昂贵。二氧化硅上的氧化钨和氧化铝上的钠的这种组合就像拿两种不同类型的污垢，让它们一起分解整个聚合物链，从乙烯中得到更高产量的丙烯，从聚丙烯中得到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是，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。聚乙烯和聚丙烯没有这种致命弱点——它们的长单碳键链非常牢固。
“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出来。但是如果你从中间夹住绳子，现在你一次可以取出一颗珍珠。”
这两种催化剂一起将几乎相等的聚乙烯和聚丙烯混合物在室温下转化成丙烯和异丁烯——两种气体——效率接近90%。单是聚乙烯或聚丙烯，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。少量的这些杂质几乎不影响转化效率，但少量的PET和聚氯乙烯- pvc -显著降低效率。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，虽然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，只使用新的圆形材料。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，性能好，所以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圆形，那将是一件大事，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是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。
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