作者:吴跃伟 李瑞阳 来源:澎湃新闻 发布时间:2023/8/1 12:32:48
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室温降解塑料!华东师大教授用光“狙击”塑料围城

 

塑料是最好的发明,还是最坏的发明?

它方便、耐用,曾被誉为现代工业的象征,却“毁誉参半”,甚至成为灾难:一些河流里漂浮着塑料垃圾,海洋里漂浮着塑料垃圾,甚至一些田地土壤中也残留着塑料垃圾。

究其原因,华东师范大学化学与分子工程学院教授、博士生导师姜雪峰认为,是因为塑料的生命周期没有实现闭环——难以降解循环。

一旦生产出来,塑料似乎就会永远存在,最终要么留在土壤里,要么流进海洋里,甚至被“撕碎”成细小的微塑料,经食物或水,进入人体。

最近,姜雪峰课题组提供了一种解决方案:光解——室温常压下,用光来降解塑料。这一过程中使用的催化剂源自海洋。

华东师范大学化学与分子工程学院教授、博士生导师姜雪峰。

7月29日,相关论文正式发表在《科学通报》 (Science Bulletin)上。该期刊是由中国科学院和国家自然科学基金委员会于1950年共同主办的跨学科科学期刊,半月刊。

该论文的标题是《塑料废弃物在可见光下降解为商用化学品和单体》(Degradation of plastic wastes to commercial chemicals and monomers under visible light)。姜雪峰是该论文的通讯作者。

从海水中提取的催化剂

姜雪峰告诉澎湃科技,通过大量实验,他带领的团队发现使用铀酰离子作为催化剂,以光照作为能量来源,可以对常见塑料垃圾进行降解。整个过程环保、节能、高效。

铀238有放射性?

姜雪峰告诉澎湃科技,铀235有放射性,铀238几乎没有放射性,非常安全。海水中存在大量的铀元素,而从海水中提铀的技术已在全世界得到广泛应用。“所以人们不用过多担心安全和储量问题。”姜雪峰说。

姜雪峰表示,未来可以使用太阳光进行光降解。他解释说,“铀238对光的最大的吸收位置是460纳米。太阳光是可见光,包括400~800纳米之间的光。所以,使用太阳光,没问题。”

目前在实验中,他们已经能够成功将九种常见塑料在常温常压下降解为苯甲酸和对苯二甲酸等化工产品的原材料。“能拿它再去做塑料,做新型的、更好的塑料;也可能变成医药中间体,用到医药上;也有可能用到香精香料上、用到材料上等等。”姜雪峰说。

这种技术温和广谱、水氧兼容。姜雪峰解释说,“目前塑料垃圾的处理,其中一道工序就是前期的分拣、清洗,达到很干燥、很纯净才能处理。但我们平时见到的塑料垃圾都会带有色素、黏合剂、水渍,甚至污渍在上面。我们的光降解,瓶子不需要清洗,因为里面有水也没关系,标签不用摘除,有色素或黏合剂发泡剂,并不影响,依然可以降解。我们这个工作就希望把塑料降解推向了实用性、真实性,实现了复杂真实场景降解。而且我们还实现了五种塑料的混合降解。让原本垃圾场里的塑料废品,变成有价值、可再利用的基础高纯度原料。”

以六水合硝酸铀作为光敏剂,在460纳米蓝光照射下,聚苯乙烯可以30%的分离产率获得苯甲酸;聚苯乙烯泡沫可以40%产率降解为苯甲酸;高抗冲聚苯乙烯(HIPS)可以32%的收率降解为苯甲酸。公斤级真实聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)瓶(未清洗、含水、色素、黏合剂、添加剂)能够在2天内以88%的产率降解为对苯二甲酸。

为了实现应用放大,作者还设计开发了新型连续流光反应装置,用于PET降解,与管式操作相比,效率提高54,800倍。

未来,他们将进一步扩大实验范围,并研发适用的大型装置。

从硫元素到塑料降解

是如何想到用铀来催化塑料光降解的?

姜雪峰说,“我们是一个专注硫化学研究的科研小组。在研究硫的多价态的精准控制合成过程中,要调节硫的氧化态,我们就想找一个绿色而节能的方法,想用太阳光直接氧化硫。因为我们想规避化工生产经常出现的高温高压和高排放。就想用一种绿色的方式来氧化硫。我们找到了铀,拿它氧化硫,可以从硫醚氧化到亚砜,还可以氧化到砜,实现精准调控。”

他表示,铀在整个氧化过程中的作用很独特。“既然它能够把硫这么精准地调控氧化,而且这么柔和、环保,干嘛不拿它来做塑料的氧化和切断?因为氧化以后,化学键就会被切断,但又不会完全切碎(增加碳排放),不就可以精准降解了。我们就拿它尝试,果真可以把塑料可控的氧化、切断、降解。”

示意图:在含铀238的催化剂作用下,在光照下,塑料被降解。

“原本这些塑料的自然分解要花几十年甚至数百年,我们用这种方式一两天之内就把它们分解,而且分解出来得到非常有用的物质,如苯甲酸、对二苯甲酸等高附加值的精细化学品。”姜雪峰说。

闭环向未来

姜雪峰向澎湃科技表示,虽然塑料袋造成的白色污染确实让人们头疼,但是大家不得不承认塑料袋如此轻便、实用,我们人类不会因噎废食。问题的关键在于,使用完了以后,如何处理、回收、降解、高价值利用。

“我们经济上在考虑循环经济、闭环思维,科学上也一定要考虑闭环和循环的。如何做到闭环,也就是说如何将另外一个半圆画出来,这就是塑料降解的意义。”“我觉得闭环的思维最主要的就是不能任意排放到外部。”“遗弃的本质是因为它失去了价值。但当它有价值的时候,不管是个人还是企业,有新的利润产生出现的时候,那么就会出现自动地收集和处理的驱动力,这个时候我们整个社会发展就能形成一个闭环的循环可持续发展系统了。”

“之前,是用小分子的单体把塑料搭建起来,给人类提供了便捷和方便;用完之后,不应该抛弃到大自然当中,不应该把它焚烧后排放出二氧化碳,应该思考如何用低能耗、低成本的把它变回到它原来的状态。这样,只要这样的碳利用能形成一个完整的闭环,我们人类就能跟自然和谐相处,同时又能满足我们人类更多的物质需求和生产需求。”姜雪峰说。

附论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927323004073?via%3Dihub

 
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