《通过高级蒸汽裂解,所有塑料废料都可以变成新的优质塑料》

  • 来源专题:纳米科技
  • 编译者: 郭文姣
  • 发布时间:2019-10-21
  • 瑞典查默斯工业大学的一个研究小组已经开发出一种有效的方法,可以将任何塑料废物分解为分子水平。然后可以将生成的气体转换回新的塑料,质量与原始塑料相同。新工艺可以在其现有基础设施的框架内将当今的塑料工厂转变为可回收的精炼厂。

    塑料不会分解,因此不会在我们的生态系统中积累,这是我们的主要环境问题之一。但是在查默斯(Chalmers),能源技术教授亨里克·图恩曼(Henrik Thunman)领导的研究小组将塑料的韧性视为一种资产。它不会降解的事实使其可以循环使用,从而为用过的塑料创造了真正的价值,从而为收集它提供了经济动力。

    “我们不应该忘记塑料是一种奇妙的材料,它为我们提供了我们梦dream以求的产品。问题是它的生产成本如此之低,以石油和化石生产新塑料的价格更低廉。而不是再利用塑料废物产生的气体。” Henrik Thunman说。

    现在,通过对塑料进行蒸汽裂化进行化学回收的试验,研究人员已经开发出一种有效的方法,可以将用过的塑料转变为原始质量的塑料。

    “通过找到合适的温度-大约850摄氏度-以及正确的加热速率和停留时间,我们已经能够在将每小时将200公斤塑料废料转化为有用的规模的规模上证明所提议的方法气体混合物。然后可以在分子水平上进行再循环,从而成为原始质量的新型塑料材料。”

    实验在哥德堡的查默斯电力中心工厂进行。

    2015年,全球产生了约3.5亿吨塑料废??物。总共收集了14%的材料进行回收-8%的材料被回收为质量较低的塑料,而2%的材料为质量与原始质量相似的塑料。在此过程中损失了大约4%。

    总体而言,2015年约有40%的全球塑料废物在收集后得到处理,主要是通过焚化进行能源回收或减少体积-将二氧化碳释放到大气中。

    其余的约60%运往垃圾填埋场。只有大约1%的垃圾未被收集并泄漏到自然环境中。尽管只占很小的百分比,但这仍然是一个严重的环境问题,因为塑料废料的总量如此之高,并且塑料的自然降解是如此缓慢,因此会随着时间的推移而积累。

    当前的塑料回收模型倾向于遵循所谓的“废物等级”。这意味着塑料在最终燃烧以回收能量之前,会反复降解,质量越来越低。

    “相反,我们专注于从收集的塑料中捕获碳原子,并使用它们来创建原始质量的新塑料-也就是说,回到废物层次结构的顶部,从而创建真实的圆度。”

    如今,全新的塑料是通过在石化工厂中称为“裂解器”的设备中粉碎化石石油和天然气馏分制成的。在饼干内部,创建了由简单分子组成的构建基块。然后可以将它们组合成许多不同的构造,从而导致我们在社会中看到各种各样的塑料。

    为了用收集的塑料做同样的事情,需要开发新的工艺。查尔默斯研究人员现在展示的是如何以一种经济高效的方式设计和整合这种工艺的技术方面。最终,这种发展可以使当今的石化工厂向未来的回收精炼厂进行重大改造。

    研究人员正在继续他们的工作。

    “我们现在正从旨在证明该工艺可行性的初步试验,转向着重于更详细的理解。需要这种知识,才能将该工艺从每天几吨塑料扩大到数百吨塑料。到那时,它才变得具有商业意义。”

    该工艺适用于我们的垃圾处理系统产生的所有类型的塑料,包括历史上存储在垃圾填埋场或海上的那些塑料。

    现在使在大型石化工厂中使用收集和分类的塑料成为可能的是,可以收集足够量的材料,这意味着这些工厂在理论上可以保持相同的产量。这些工厂每年需要约1-2百万吨分类塑料废物才能进行转换,以使其达到目前从石油和化石气体中获得的产量水平。

    瑞典2017年的塑料废物总量约为160万吨。其中只有约8%被回收用于劣质塑料。

    因此,查默斯(Chalmers)研究人员看到了一个机会,可以在社会上循环使用塑料,并使我们摆脱生产各种优质塑料所需的石油和化石气体。

    “循环使用将有助于使废旧塑料具有真正的价值,从而为在地球上任何地方收集废旧塑料提供经济动力。反过来,这将有助于最大程度地减少塑料向自然界的释放,并为已经污染了废旧塑料的塑料收集创造市场。 Henrik Thunman说,自然环境。

    报废的生物基材料,如纸张,木材和衣服,也可以用作化学过程中的原材料。这意味着我们可以逐渐减少塑料中化石材料的比例。如果在此过程中还捕获了二氧化碳,我们也可能产生净负排放。愿景是为碳基材料创建一个可持续的循环系统。

    ——文章发布于2019年10月18日

相关报告
  • 《发现新的“可塑之材” 石头竟能被改造成塑料》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心—领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2022-02-08
    • 当你拿起一只购物袋或矿泉水瓶,很难想象它可能是石头做的。 凭借柔韧、可塑、轻巧、廉价等特性,塑料为人类生活带来诸多便利,但又因不可降解的缺陷引发“白色污染”,对自然环境产生威胁。近年来,越来越多的科研人员探寻新的“塑料”,从而替代传统的石油基塑料,大自然中普遍存在的石头(矿物)也被视为“可塑之材”。 1月24日,国际期刊《先进材料》刊登了浙江大学化学系刘昭明研究员团队的研究成果——用无机离子聚合的方法构建出具有周期性缺陷结构的无机矿物材料。这种含有80%以上的磷酸钙矿物和20%不到的高分子的“石头”展现出了和高分子塑料类似的柔韧性和近似的力学性能,硬度更高且耐火,取材于大自然,又能回归自然,继续参与地质循环。 简化降解过程 塑料替代品不妨“就地取材”? 人们日常使用的塑料主要源于石油,而石油基的塑料原本不存在于自然界,不具备可降解性。现已应用的可降解塑料,其降解条件并不简单,短期内依然会形成“白色污染”。 2021年9月,国家发展改革委、生态环境部联合印发《“十四五”塑料污染治理行动方案》,提出科学稳妥推广塑料替代产品,比如加大可降解塑料关键核心技术攻关和成果转化,不断提升产品质量和性能,降低应用成本。 “从化学或材料学的角度看,实现塑料降解的关键,是要研究有机共价键断裂的方法,或者设计易于断裂的共价键。” 刘昭明介绍,有科学家提出通过生物基的材料替代塑料,例如用聚乳酸。 自然界存在的地质矿物就是环境的一部分,并参与到地质循环之中。研究团队注意到,如果能将这些矿物变成类似塑料的材料,就可能直接避免塑料污染和循环的问题,且矿石成本低廉,适合推广普及。 材料的柔韧性或者脆性很大程度上反映了材料形变能力的大小。矿物硬而脆、难以塑形,要想替代塑料,必须先改变自身的脆性。 “矿物材料一般内部是高度交联的离子或者共价网络,而塑料,我们以热塑性塑料为例,内部主要是链状高分子。” 刘昭明说,可以想象一个很硬的三维网络结构,如果要移动其中的一个支点,需要整个网络结构都有变化,否则那个点就要破裂。相比之下,一堆缠绕排列的线,线本身及线之间都可以变动,整个结构中的支点都可以相对自由地运动。 刘昭明解释道,这种微观结构的差异导致两种材料宏观上性质不同。矿物的这种刚性网络使其坚硬,但是变形能力很差。加热可以降低高分子链间的相互作用,使热塑性塑料在高温下熔化再凝固,实现塑料制备。 矿石化刚为柔 性状功能与塑料大同小异 此次研究中,研究团队旨在让矿物材料的内部更像“链”而不是传统的“网络”。通过利用这些结构可变的矿物去组成复合矿物,从而设计基于矿物的塑料替代材料。 大自然中的贝壳、骨骼、牙齿给了他们很大启发。 “这些天然生物矿化材料的主要成分是无机矿物和少量的有机大分子和高分子。正是这少量的大分子和高分子控制着无机矿物的尺寸、取向、形貌。” 刘昭明说,这启发我们去探索相似的调控手段,去实现无机离子聚合的调控。 研究团队选用了聚丙烯醇(PVA)和海藻酸(SA)这两种高分子,将两者加入到磷酸钙离子寡聚体凝胶中,形成了一种有机-无机分子尺度的复合材料。据介绍,这两种高分子从化学官能团上而言,与骨头中的胶原有一定相似性。 “我们提出的Hybrid Mineral(复合矿物),主要是由80%以上的无机磷酸钙组成,剩下为有机高分子聚乙烯醇和海藻酸。” 刘昭明表示,这些无机纳米纤维通过介观尺度有机物粘接形成宏观尺度的块体材料,即为复合矿物。 透射电镜图像显示,研究团队得到的无机磷酸钙纳米纤维和常规合成中得到的羟基磷灰石有着不同的结构:原本羟基磷灰石中的钙离子是周期性排列的,而在团队制备的复合矿物样品中,钙离子会有周期性的缺失。 刘昭明解释道,正是由于钙离子的周期性缺失,让原本稳定、刚性的无机离子网络变为结构可变、类似于3-4条“无机离子链”平行排列的结构。这样的结构降低了磷酸钙内部的交联密度,离子之间的距离可以相对更容易的拉长或压缩,从而使无机结构具有一定的可弯曲性。 经实验测试,这一复合矿物拉伸强度在20兆帕左右,弹性模量在600兆帕左右,整体表现出类似塑料的柔韧性,性能与传统塑料材料类似,可以对它进行拉伸或者弯曲。此外,复合矿物由于高无机含量,硬度也比一般的塑料高,在0.8吉帕左右,不太容易起划痕。 模拟环保实验 复合矿物与环境基本相容 现如今,除了可降解塑料外,纸制品、竹木制品等塑料替代品,一定程度上可缓解“白色污染”的加剧,在防水性、柔韧性、防火性等方面,却未能完全替代塑料制品,有待新的替代品填补缺陷。? 2019年,该团队曾在《自然》杂志发表“无机离子聚合”技术,成功制备无机离子寡聚体,实现像做塑料那样制备宏观的无机矿物材料,为此次复合矿物的研究打下基础。 研究团队发现,相比一般的塑料在火焰中会被点燃并熔化,复合矿物燃烧时无明显变化,燃烧完后会变成磷酸三钙一类的结晶矿物,从而失去韧性。 由于“白色污染”,大片水域遭塑料倾倒、人体内发现微塑料或是动物误食塑料致死等资讯时常见诸报端。对此,研究团队做了一些模拟自然界风化、沉淀、被动物吞噬的实验。 研究团队的大致结论是,复合矿物在水中长时间浸泡(3个月以上),其中的聚乙烯醇和海藻酸可以被溶解,它们对环境友好,不会造成污染,剩下的沉淀是结晶的羟基磷灰石,与地质中的矿物羟基磷灰石无异。 刘昭明表示,即复合矿物在海洋或者雨水风化作用下,最终转变为地质矿物,回归自然。此外,复合矿物在pH值为4的酸性环境中,无机矿物部分会溶解。因此如果有动物误食这个材料,理论上是可以被缓慢降解吸收的,不太会产生塑料堵塞野生动物消化系统的问题。 据介绍,研究团队将围绕降低复合矿物制备成本等方面开展进一步研究。 ?“材料中无机含量达到80%已经是很大的突破,但是剩下接近20%的高分子使‘复合矿物’不能变成真正的矿物。” 刘昭明说,团队还希望能揭示“周期性缺陷结构”磷酸钙的形成机理,并将其中的有机高分子完全去除,对无机物的认识、合成与结构控制更上一层楼。
  • 《塑料的碳足迹》

    • 来源专题:纳米科技
    • 编译者:郭文姣
    • 发布时间:2019-04-22
    • 从针对微塑料的运动到太平洋大垃圾的新闻,人们越来越意识到塑料对世界海洋的巨大影响。然而,它对空气的影响远不那么明显。塑料的生产,使用和处置都会产生大量的温室气体,但科学家并未对这一范围有过深入的了解。 现在,加州大学圣巴巴拉分校的研究人员已经确定了塑料对气候变化的贡献程度,以及如何控制这些排放。结果发表在“自然气候变化”杂志上。 “据我们所知,这是对所有塑料温室气体排放生命周期的第一次全球评估,”作者,加州大学圣巴巴拉分校Bren环境科学与管理学院教授Sangwon Suh说。 “这也是减少塑料排放的各种策略的首次评估。” 塑料具有令人惊讶的碳强度生命周期。绝大多数塑料树脂来自石油,需要提取和蒸馏。然后将树脂制成产品并运输到市场。所有这些过程都直接或通过完成它们所需的能量排放温室气体。塑料的碳足迹即使在我们处理完毕后仍在继续。倾倒,焚烧,回收和堆肥(对于某些塑料)都释放出二氧化碳。总而言之,2015年塑料排放量相当于近18亿吨二氧化碳。 研究人员预计这个数字会增长。他们预测,未来五年全球对塑料的需求将增长约22%。这意味着我们需要减少18%的排放才能实现收支平衡。根据新的结果,到目前为止,到2050年,塑料的排放量将达到全球碳预算的17%。该预算估算了我们可以排放的最大温室气体量,同时仍能保持全球温度不超过1.5摄氏度。 “如果我们真的想将全球平均气温从工业化前时代的温度上升到1.5摄氏度以下,那么就没有增加温室气体排放的空间,更不用说像我们预测的生命周期一样大幅增加温室气体排放量。塑料,“苏说。 除了诊断问题外,Suh和主要作者Bren School的研究生Jiajia Zheng评估了减少塑料碳足迹的四项策略。 回收可能是最简单的解决方案。消除对新塑料的需求所减少的排放量超过了处理废料所产生的略高的排放量。目前,全球90.5%的塑料未经回收利用,这一数据由加州大学圣巴巴拉分校工业生态学家Roland Geyer计算得出,该数据统计了2018年的年度数据。显然,我们有足够的空间进行改进。 提高生物基塑料的比例也可以减少排放。生物基塑料由植物生产,植物在生长时捕获大气中的二氧化碳。如果它们被堆肥,生物塑料中的碳质材料会以二氧化碳的形式释放回大气中。这使得材料本身是碳中性的,尽管制造仍然会产生少量的温室气体。 减缓对塑料需求的增长也可能限制其排放,但Suh承认这将是一项艰巨的任务。塑料是多功能的,便宜的和普遍存在的。科学家们正在研究替代品,但目前还没有任何东西能够取代塑料。更重要的是,随着发展中国家现代化,更多人将享受富含塑料的现代生活方式。 最终,Suh和Zheng发现用可再生资源替代化石能源对整个塑料的温室气体排放影响最大。过渡到100%可再生能源 - 纯粹的理论情景,Suh承认 - 将减少51%的排放量。 不幸的是,对塑料的需求不断增长意味着这种情况最终会在未来产生比我们目前生产的碳更多的碳。事实上,鉴于这一趋势,Suh对减少排放的难度感到惊讶。 “我们认为这些策略中的任何一种都应该显着抑制塑料的温室气体排放,”Suh说。但他们没有。 “我们尝试过一次并没有真正产生太大的影响。我们合二为一,排放量仍在那里。然后我们将所有这些排放在一起。只有这样我们才能看到未来温室气体排放量从当前水平减少。” 该研究的结果强调了为有意义地减少温室气体排放需要多大的努力。 “公众真的必须了解我们面临的挑战的严重程度,”Suh说。 为此,Suh专注于如何最好地利用我们生产的可再生能源。 “问题是,千瓦时的可再生能源最大爆炸是什么?”他说。例如,1千瓦时的可再生能源是否能够抵消国内使用,运输或其他应用的更多排放? 在与如此庞大的人数合作之后,Suh明白了一件事:“我所看到的是,除非我们真正做出前所未有的努力,否则不会发生温室气体减排。” ——文章发布于2019年4月15日