王敏 中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 王海涵 王磊
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小到一根吸管，大到一輛汽車，人們的生活離不開塑料，然而，大規(guī)模塑料生產(chǎn)卻給自然界帶來難題，解決“白色污染”問題迫在眉睫。
近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰教授課題組在塑料循環(huán)升級(jí)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展——設(shè)計(jì)出一種“氫呼吸”策略，在無(wú)須額外添加氫氣或溶劑的情況下將高密度聚乙烯塑料轉(zhuǎn)化為高附加值的環(huán)狀烴類，為廢棄塑料的“人工碳循環(huán)”提供了新方法。6月26日，研究成果發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《自然·納米技術(shù)》上。
中國(guó)科學(xué)院院士、石油化工專家何鳴元教授認(rèn)為，“這項(xiàng)工作巧妙地結(jié)合了煉油工業(yè)中催化重整和加氫裂化兩個(gè)過程的基本原理，以氫的完美平衡實(shí)現(xiàn)塑料降解新路線，是塑料降解科學(xué)技術(shù)的重大突破?！?/p>
大膽猜想：聚乙烯塑料相當(dāng)于“固體石油”？
聚乙烯塑料是五大通用塑料之一，由乙烯分子彼此相連構(gòu)成的一條長(zhǎng)鏈聚合物，每一個(gè)鏈節(jié)都由乙烯分子組成。它的骨架是由碳原子相連而成，穩(wěn)定性很高，難以自然降解。
一般情況下，人們通過焚燒或填埋處理廢棄的聚乙烯塑料，焚燒過程會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳和有毒氣體，填埋則需要上千年才能被降解?？紤]到聚乙烯和石油具有相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)與組成，曾杰等人大膽猜想——能否直接把聚乙烯當(dāng)成一種“固體石油”，借鑒石油化工的技術(shù)，用以合成石油的下游化學(xué)產(chǎn)品呢？
曾杰介紹，“如果猜想成立，不僅可以有效降解廢棄塑料，減輕對(duì)環(huán)境的污染，還能高效升級(jí)塑料中儲(chǔ)量較大的碳資源。” 此次研究中，研究人員首先把目光聚焦到石油加工的一個(gè)重要過程——加氫裂化，它可以將長(zhǎng)鏈段的重質(zhì)油裂解，從而得到短鏈的油品，如汽油、煤油和柴油等。
研究人員參照該方法，以聚乙烯為原料進(jìn)行加氫裂化實(shí)驗(yàn)，并順利轉(zhuǎn)化為汽油餾分的鏈狀烴產(chǎn)品，進(jìn)一步證實(shí)聚乙烯就相當(dāng)于“固體石油”。
“正如‘加氫裂化’字面上的意思，這個(gè)過程需要消耗大量氫氣，而氫氣本身非常昂貴。此外，現(xiàn)有的制氫工藝還會(huì)造成碳排放?！痹苷f，他們從改進(jìn)工藝著手，試圖在不使用氫氣的條件下，實(shí)現(xiàn)廢棄聚乙烯塑料的循環(huán)升級(jí)。
開發(fā)新型催化劑實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)“氫呼吸”
催化重整是石油加工過程中另一種重要手段，可以將輕汽油餾分轉(zhuǎn)變成富含芳烴的高辛烷值汽油，或者苯、甲苯以及二甲苯等化工原料，并產(chǎn)生氫氣。
催化重整過程中產(chǎn)生氫氣，加氫裂化過程中消耗氫氣。如果將這兩個(gè)過程串聯(lián)并應(yīng)用于聚乙烯降解，就相當(dāng)于一邊讓塑料成環(huán)脫氫變成環(huán)狀烴“呼”出氫氣，一邊讓塑料 “吸”入氫氣裂解變成短鏈。
曾杰介紹，“這一策略利用聚乙烯自身的氫原子替代外加的氫氣，不僅降低成本，而且節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)氫元素的‘自產(chǎn)自銷’?！?/p>
最重要的是，這個(gè)過程中還可以打破聚乙烯中穩(wěn)定的碳骨架，使分子鏈段變短，而且得到的產(chǎn)物是環(huán)狀烴，相比鏈狀烴具有更高的價(jià)值。
要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)“氫呼吸”策略，尋找到一種合適的催化劑是關(guān)鍵。研究人員立即想到對(duì)烷烴有高脫氫活性的金屬“釕”。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)烷烴催化脫氫效果出色的釕卻在聚乙烯上“栽了跟頭”，設(shè)想中“呼”出氫氣的碳骨架環(huán)化過程并沒有發(fā)生，只生成了極少量的烯烴，說明僅依賴金屬釕無(wú)法讓塑料實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的“氫呼吸”。
因此，曾杰提出，酸性位點(diǎn)可以促進(jìn)烯烴環(huán)化成環(huán)狀烴。研究人員在原有金屬釕催化劑上引入了具有酸性位點(diǎn)的分子篩作為載體。他們發(fā)現(xiàn)，這種新型催化劑可以使聚乙烯順利發(fā)生脫氫環(huán)化過程，并釋放出氫氣，順利引發(fā)后續(xù)的加氫裂化過程。
未來將降低催化劑成本
在分子篩負(fù)載的釕催化劑作用下，廢棄聚乙烯塑料逐漸被降解。當(dāng)研究人員選擇不同孔道尺寸的分子篩進(jìn)行催化反應(yīng)時(shí)，孔道過小會(huì)造成生成的環(huán)狀烴被卡在孔道中間，堵住了孔道，使反應(yīng)中斷。相反地，當(dāng)選擇孔道入口較寬的分子篩進(jìn)行催化反應(yīng)時(shí)，由于其孔道過大，對(duì)聚乙烯分子的束縛能力較弱，導(dǎo)致大量聚乙烯分子未被有效裁剪就脫出。
為此，研究人員精心挑選了具有合適孔道大小的分子篩，既能使聚乙烯分子在孔道中被精準(zhǔn)剪裁成環(huán)狀烴，又不會(huì)使產(chǎn)物阻塞孔道，從而有效促進(jìn)聚乙烯塑料的循環(huán)升級(jí)過程。
最終，在分子篩負(fù)載金屬釕催化劑的作用下，經(jīng)過24小時(shí)的催化反應(yīng)，高密度聚乙烯塑料的轉(zhuǎn)化率達(dá)到69.6%。其中，主要降解產(chǎn)物是液體環(huán)狀烴。
曾杰說：“環(huán)狀烴是高附加值的化工品之一，可以作為合成藥物、染料、樹脂和纖維的原材料，用途廣泛。我們將開發(fā)不含貴金屬釕的催化劑，降低催化劑成本，同時(shí)引入自然界體量較大且廉價(jià)易得的共反應(yīng)物，進(jìn)一步提高產(chǎn)物的價(jià)值?！保ㄒ曨l為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)制作提供）
（來源：中國(guó)青年報(bào)客戶端）
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