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来源: X-MOL 2021-07-29
近日，南开大学候其东助理研究员、鞠美庭教授在Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports Physical Science 上发表综述文章，总结了近年来废弃塑料升级再造和催化降解的研究进展，梳理了需要解决的关键问题，并展望了该领域的未来发展方向。 塑料制品在现代社会中是不可或缺的。截止到2015年，人类已经生产了63亿吨塑料，其中高达79%的塑料被填埋或丢弃在自然环境中。塑料会在自然环境中长期存在，不仅会干扰动植物的生长，也会严重威胁人类的食品安全。 废弃塑料的不当处置，不仅会造成环境问题，也是一种巨大的资源浪费。如图1所示，解决塑料污染问题的传统策略主要有：设计可降解塑料或可循环塑料；发展塑料循环利用技术，包括机械循环、化学循环和焚烧等。然而，这些策略面临着许多经济技术挑战（成本高或收益低、效率低、产生二次污染），难以实现大规模应用。 图1. 塑料废弃物的产生过程和解决塑料问题的主要策略 作者认为塑料废弃物是一种介于生物质和化石燃料之间的资源，通过升级再造过程有望实现废弃塑料的资源化利用。他们将塑料的升级再造定义为：通过发掘塑料中碳、氢、氧和大分子结构的内在价值将塑料废弃物转化为高品质化学品、燃料和材料的过程。相比于传统的机械循环和化学循环技术，升级再造策略不仅有助于提升产物的经济价值，降低转化过程的资源能源消耗和二次污染，还有望实现混合塑料的直接转化利用。 塑料升级再造为高价值化学品的典型案例包括：在无需溶剂和外加氢气的条件下，利用Pt/Al2O3接力催化脱氢和芳构化反应，将聚乙烯（PE）直接转化为芳香类化合物；在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）解聚过程中，利用Ru/Nb2O5催化乙二醇原位重整产生氢气并同步催化氢解过程，从而实现从PET到PX的一锅转化。 图2. 通过接力催化策略将PE和PET转化为高价值化学品 塑料升级再造为高价值燃料的典型案例包括：通过光催化技术或微波助催化技术将塑料分解为氢气；通过氢解将塑料选择性解聚为具有适当分子量的液态烃类燃料。随着催化技术的快速发展，直接将塑料转化为高品质的含氧液态燃料，从源头避免对外在氢源的消耗，是需要发展的重点方向。 图3. 通过光炼制过程制备氢气 塑料升级再造为高价值材料主要有三种方式：通过可控碳化制备高品质的碳材料，特别是碳纳米管和石墨烯；采用塑料解聚产生的单体或片段作为原料制备新的聚合物材料；将塑料整体或片段嵌入到新材料中，构建复合材料。 图4. 将塑料整体或片段嵌入复合材料 为了治理塑料废弃物的污染问题，一些学者尝试通过光催化技术、芬顿和类芬顿技术等来实现塑料的催化降解。绝大部分催化体系只能实现塑料的部分降解，只有极少数催化体系能够将其彻底矿化为二氧化碳和水。然而，由于传质传热的限制和大量其他物质的存在，在真实环境条件下降解塑料废弃物仍然是极为困难的，塑料降解产物是否会产生新的环境风险也有待验证。 图5. 塑料催化降解研究进展 塑料的升级再造和催化降解策略为解决白色污染问题提供一条有效的技术途径，但二者均处于研究的早期阶段。塑料的种类繁多，新材料层出不穷，针对不同种类的废弃塑料建立完整的升级再造和催化降解技术体系仍然需要大量的基础研究工作。
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