作者:田瑞颖 来源: 中国科学报 发布时间:2023-9-27
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“塑料变肥皂”成为现实

▲用塑料制成的肥皂。

▲许振(左)和刘国良正在做实验。受访者供图

■本报记者 田瑞颖

目前,全球每年产出的塑料多达4亿吨,塑料污染治理迫在眉睫。通过3年探索,一对师徒将“塑料变肥皂”这一疯狂想法变成现实。相关研究成果近日在《科学》发表。通过他们设计的特殊“壁炉”,塑料先被燃烧成蜡,再转化为高价值的表面活性剂和洗涤剂,比如肥皂。美国弗吉尼亚理工大学副教授刘国良是论文通讯作者,目前在西北工业大学做博士后的许振是第一作者。

1轮审稿、4个月修改,《科学》对论文的接收非常顺利,但许振和导师刘国良却并不满意。因为发顶刊从来不是他们的目标,真正把塑料变肥皂推向产业化、解决实际环境问题,才是他们的初心。

塑料化为肥皂:灵感来自壁炉

自2018年起,刘国良就一直在摸索塑料再利用的路子。要实现工业应用,这条路必须简单且经济可行。

预计到2050年,全球塑料累计产量将达到340亿吨,其中60%是使用最广泛的聚乙烯和聚丙烯。

将聚乙烯和肥皂放在一起,似乎是八竿子打不着的事。但实际上,它们在分子层面有着紧密关联。脂肪酸是肥皂等表面活性剂的主要原料,其分子结构与聚乙烯相似,只是脂肪酸的碳链长度远短于聚乙烯的高分子长链。

也就是说,如果使聚乙烯的长链断裂,生成长度合适的脂肪酸碳链,塑料变肥皂并非天方夜谭。

2020年圣诞节,结束一天工作的刘国良坐在壁炉旁取暖。当他凝视木头燃烧的火光时,一个灵感突然闯入脑海。刘国良迅速找来一个塑料袋扔进壁炉,看到塑料袋剧烈燃烧,他又取来一勺食用油倒在木头上,同样产生了剧烈燃烧。

刘国良想,木头不完全燃烧会生成烟雾,正是木材燃烧过程中纤维素分解成短链分子形成气体小分子的环节,完全燃烧后就会生成二氧化碳。而塑料和木头一样,在壁炉中燃烧都是从固态到气态。

这似乎意味着,如果能准确控制聚乙烯的燃烧条件,在形成气体小分子之前停止燃烧过程,并恰好停止在类脂肪酸的阶段,就可能得到碳链长度合适的分子。

刘国良隐隐觉得,这将是一个绝佳的课题。为此,他找到心目中的理想人选——当时正在弗吉尼亚理工大学读博士四年级的“90后”许振。

经过近3年的研究,他们打造出一个特殊的“壁炉”。这个燃烧反应装置的精妙之处在于温度梯度的设置:反应装置的底部温度达到360℃,可以使聚乙烯的长链断裂;而当产生的烟雾上升进入冷区,这些分子会冷凝,避免进一步燃烧分解成更小的气体分子。

经过这样的反应,装置里最终形成的残留物,就是他们要找的聚乙烯短链分子材料——蜡。

接下来,他们向装置中注入空气和硬脂酸锰催化剂,使装置中的蜡进行氧化反应以及随后的皂化反应,进而生成脂肪酸,这正是高价值的表面活性剂和洗涤剂的原料。

更为欣喜的是,将聚丙烯放进这个“壁炉”中,也能得到与聚乙烯相似的结果。这意味着,无须在生活中将两种垃圾分类,就可以直接混合送入反应装置。

登上顶刊但他们还“不太满意”

虽然研究登上了《科学》,但刘国良和许振都感到“不太满意”。

实际上,早在2021年初,他们在对聚丙烯和聚乙烯进行燃烧反应装置实验时就获得了成功。奇怪的是,后面的催化升级反应却很难复现。

于是他们决定暂时放下聚丙烯和聚乙烯的研究,先做实验数据较好的聚苯乙烯。2022年8月,聚苯乙烯的研究取得了不错的成果,并发表于美国《国家科学院院刊》。

再次研究聚丙烯和聚乙烯时,他们又有了灵感,尤其是在催化反应阶段调高气流量等方法,最终解决了实验无法复现的问题。

今年2月9日,他们将这项研究投给了《科学》。一个多月后,审稿人一口气提出了近30个问题,包括研究的经济可行性、进一步阐明反应机理等。

接下来的4个多月,许振集中火力进行突击。为了解决热传导和研究经济可行性的计算问题,许振找到母校山东师范大学教授张其坤。而先前在聚苯乙烯研究中与他们有很好合作的东北财经大学教授许建军和美国圣塔克拉拉大学教授蔡港树,也对这项研究提出了一些建议。

对于论文最终被《科学》接收,刘国良坦言自己“又惊喜,又不惊喜”,因为这是自己组建实验室以来的第一篇《科学》论文,但他从不刻意追求在顶级期刊上发表论文,只希望解决研究中的问题。

这种精神也影响着许振。“刘老师总是让我们去思考,为什么做这件事。”他说,“比如刚发表的这篇《科学》的研究,对于实现工业应用,就还有很多地方需要完善。”

全职回国研究:英雄找到用武之地

因为这项研究,许振延期毕业半年。2022年,他取得博士学位。惜才的刘国良希望这个和自己一样对科研有着纯粹和极致追求的年轻人能留下来,并为许振后面几年的研究做了很多铺垫工作。

“如果不是因为家人,我会再在刘老师的组内锻炼两年。”在外求学期间,亲人的离世给了许振很大的打击,站在去留的路口,许振选择了回国,回到家人身边。

许振坦言自己是个“喜新厌旧”的人。他喜欢发挥想象力去思考、找到新的发现,这正是科研给予他的享受。

2016年,从山东师范大学毕业后,他只身前往美国求学。5年多的紧张科研,经常让他感到压力很大。但他总能找到疏解的方式——去美丽的小镇走走,去美食街逛逛。

如今,许振已经在西北工业大学开展博士后工作。对于进教学岗或者升职称,他并不着急,他希望再花些时间,把塑料变肥皂的研究彻底推向工业界。

“我们的工作需要正视之前研究的实用性,虽然已经研究了聚丙烯和聚乙烯回收的经济可行性,但我更想让国内甚至全世界的工业界认识到我们方法的可行性。”许振说。

英雄不问出处,但一定有他一步步走来的路。正如论文上线那天,刘国良在微信朋友圈写的那样:“如今许振回到了国内工作,希望英雄找到用武之地,将他的才能发挥到极致。”

相关论文信息:

https://doi.org/10.1126/science.adh0993

《中国科学报》 (2023-09-27 第3版 领域)
 
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