意想不到的升级改造方式塑料废物转化为肥皂
由弗吉尼亚理工大学研究人员领导的一个团队开发了一种新方法，将塑料升级为高价值化学品，即表面活性剂，用于制造肥皂、洗涤剂等。
塑料和肥皂在质地、外观以及最重要的使用方式方面几乎没有共同点。但在分子水平上，两者之间存在令人惊讶的联系：聚乙烯(当今世界上最常用的塑料之一)的化学结构与脂肪酸的化学结构惊人地相似，脂肪酸被用作化学前体肥皂。这两种材料都由长碳链组成，但脂肪酸在链末端有一个额外的原子团。
弗吉尼亚理工大学理学院的化学副教授Guoliang“Greg”Liu长期以来一直认为这种相似性意味着应该可以将聚乙烯转化为脂肪酸——并且在该过程中增加一些额外的步骤——来生产肥皂。挑战在于如何将长聚乙烯链分解成许多短链(但不是太短)以及如何有效地做到这一点。刘相信，存在一种新的升级回收方法的潜力，可以将低价值的塑料废物转化为高价值、有用的商品。
刘先生思考这个问题一段时间后，在壁炉旁享受冬天的夜晚时突然得到了灵感。他看着雾从火中升起，思考雾是如何由木材燃烧过程中产生的微小颗粒组成的。尽管出于安全和环境原因，塑料绝对不应该在壁炉中燃烧，但刘开始想知道如果聚乙烯可以在安全的实验室环境中燃烧会发生什么。聚乙烯不完全燃烧会像燃烧木头一样产生“雾”吗?如果有人捕捉到这种雾，它会是由什么制成的?
“木柴主要由纤维素等聚合物制成。木柴的燃烧将这些聚合物分解成短链，然后分解成小气态分子，然后完全氧化成二氧化碳，”化学系布莱克伍德生命科学初级教员奖学金获得者刘说。“如果我们同样分解合成聚乙烯分子，但在它们完全分解成小气体分子之前停止该过程，那么我们应该获得短链聚乙烯状分子。”
在徐震和 Eric Munyaneza 的帮助下，两位博士。作为刘实验室的化学学生，刘建造了一个小型烤箱式反应器，可以在其中通过称为温度梯度热解的过程加热聚乙烯。在底部，烘箱处于足够高的温度以破坏聚合物链，而在顶部，烘箱被冷却到足够低的温度以阻止任何进一步的分解。热解后，他们收集了残留物(类似于清理囱中的灰)，发现刘的预感是正确的：它是由“短链聚乙烯”或更准确地说是蜡组成的。
刘说，这是开发将塑料升级为肥皂的方法的第一步。在添加了包括皂化在内的更多步骤后，该团队用塑料制成了世界上第一个肥皂。为了继续这一过程，该团队寻求了计算建模、经济分析等领域专家的帮助。
其中一些专家是通过与弗吉尼亚理工大学大分子创新研究所的联系引入到该团队的。该小组共同记录并完善了升级回收过程，直到准备好与科学界共享。这项工作今天发表在《科学》杂志上。
“我们的研究展示了一种塑料升级回收的新途径，无需使用新型催化剂或复杂的程序。在这项工作中，我们展示了塑料回收串联策略的潜力，”该论文的主要作者徐说。“这将启发人们在未来开发出更具创意的升级回收程序设计。”
尽管聚乙烯是激发该项目灵感的塑料，但升级回收方法也适用于另一种称为聚丙烯的塑料。这两种材料构成了消费者每天遇到的塑料的大部分，从产品包装到食品容器再到织物。刘的新升级回收方法的一个令人兴奋的特点是它可以同时用于这两种塑料，这意味着没有必要将两者分开。与当今使用的一些回收方法相比，这是一个主要优势，这些方法需要对塑料进行仔细分类以避免污染。由于两种塑料非常相似，这种分类过程可能非常困难。
升级回收技术的另一个好处是它的要求非常简单：塑料和热量。尽管该过程的后续步骤需要一些额外的成分将蜡分子转化为脂肪酸和肥皂，但塑料的初始转变是一个简单的反应。这有助于提高该方法的成本效益以及相对较小的环境影响。
为了使升级回收大规模有效，最终产品必须具有足够的价值，足以覆盖该过程的成本，并使其比其他回收方案更具经济吸引力。
尽管肥皂最初看起来可能不是特别昂贵的商品，但按重量计算，它们的价格实际上可能是塑料价格的两倍或三倍。目前，肥皂和清洁剂的平均价格约为每吨 3,550 美元，聚乙烯的平均价格约为每吨 1,150 美元。此外，对肥皂及相关产品的需求与对塑料的需求相当。
刘说，这项研究为通过将废塑料转化为其他有用材料的生产来减少浪费的新方法奠定了基础。随着时间的推移，他希望世界各地的回收设施能够开始实施这项技术。如果是这样，那么消费者有一天将有机会购买革命性的可持续肥皂产品，这也会减少垃圾填埋场的塑料废物。
出于这个原因，将塑料变成肥皂可以被证明在经济上是可行的，刘补充道，他也是科学院综合科学院 以及材料科学与技术系纳米科学项目的附属教员。 弗吉尼亚理工大学工程学院的工程学。
“应该认识到，塑料污染是全球性挑战，而不是少数主流国家的问题。与复杂的工艺和复杂的催化剂或试剂相比，简单的工艺可能更容易被世界上许多其他国家所接受，”徐说。“我希望这能够成为对抗塑料污染的良好开端。”
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