自工業(yè)革命以來(lái),人類大量使用煤、石油、天然氣等化石能源,獲得電能、塑料和農(nóng)藥等社會(huì)發(fā)展所必需的能源和物資。但人類在滿足自身需求的同時(shí)卻產(chǎn)生大量的廢棄物,嚴(yán)重破壞自然界自身的“碳循環(huán)”平衡,進(jìn)而引發(fā)氣候變暖、生態(tài)破壞等一系列環(huán)境問(wèn)題。其中,塑料的廣泛使用和大規(guī)模遺棄也使其成為全球性環(huán)境治理難題之一。每年全球新增塑料制品產(chǎn)量超過(guò)4億噸,具有強(qiáng)度高,穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn),但在廢棄后卻因具有耐久性強(qiáng)、難降解的特性,長(zhǎng)期滯留于自然環(huán)境中,造成嚴(yán)重“白色污染”。
同時(shí),海洋塑料垃圾、微塑料顆粒、堆填場(chǎng)滲濾液等二次污染問(wèn)題日益嚴(yán)重,威脅生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與人類健康安全。根據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境署預(yù)測(cè),若無(wú)有效干預(yù),至2040年全球環(huán)境中的塑料廢棄物總量將翻倍增長(zhǎng)。如何破解復(fù)雜塑料廢棄物回收利用難題,已成為實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展和“雙碳”目標(biāo)的重要課題。
目前,在社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下,由傳統(tǒng)化石資源轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的廢棄塑料,也不應(yīng)該再以廢棄物、污染物的形式遺棄在自然環(huán)境之中,而應(yīng)作為重要碳資源加以利用。另一方面,塑料分子結(jié)構(gòu)中存在高度有序的碳?xì)浣Y(jié)構(gòu),我們應(yīng)將塑料廢棄物視為有價(jià)值的碳資源,可以通過(guò)保留一部分廢塑料分子的碳-碳骨架,從完成了生命周期的廢塑料中生產(chǎn)有用的化學(xué)品或燃料。通過(guò)這樣的升級(jí)轉(zhuǎn)化,不僅能夠緩解廢塑料造成的環(huán)境問(wèn)題,還能高效利用廢塑料中的含碳?xì)滟Y源,邁向真正的循環(huán)經(jīng)濟(jì)。
當(dāng)前,塑料廢棄物回收技術(shù)主要包括物理回收、熱能回收及化學(xué)轉(zhuǎn)化回收三類。其中化學(xué)轉(zhuǎn)化回收雖具有回收廢塑料中所有化學(xué)元素,并加以高值化的巨大潛力,但大多數(shù)當(dāng)前正在研發(fā)的化學(xué)回收路線僅適用于特定的塑料結(jié)構(gòu)。當(dāng)化學(xué)轉(zhuǎn)化回收過(guò)程遇到真實(shí)混合廢塑料時(shí),往往受限于真實(shí)混合廢塑料成分復(fù)雜、性質(zhì)差異顯著,而缺乏通用性強(qiáng)、過(guò)程可控的轉(zhuǎn)化路徑,目前只在少數(shù)塑料制品完成了回收轉(zhuǎn)化過(guò)程。
在科學(xué)研究層面,塑料聚合物盡管種類繁多,但其化學(xué)結(jié)構(gòu)存在官能團(tuán)差異和分子構(gòu)型異質(zhì)性,這為正交分級(jí)解聚和定向轉(zhuǎn)化提供了可能。過(guò)去,受限于表征手段與轉(zhuǎn)化策略不足,難以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜混合廢棄物中多官能團(tuán)的精準(zhǔn)識(shí)別與選擇性轉(zhuǎn)化。如何打破這一技術(shù)瓶頸,發(fā)展兼具普適性、高效性與經(jīng)濟(jì)性的廢棄碳資源化轉(zhuǎn)化策略,是當(dāng)前循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要方向。
在這一背景下,《自然》(Nature)雜志近日刊發(fā)了首篇關(guān)于真實(shí)混合廢塑料高值化轉(zhuǎn)化的研究成果。北京大學(xué)馬丁教授團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜開(kāi)發(fā)出核磁共振識(shí)別下的真實(shí)混合廢塑料正交轉(zhuǎn)化策略,實(shí)現(xiàn)了面向真實(shí)生活混合塑料廢棄物的高效、高值化學(xué)品定向升值轉(zhuǎn)化。該策略以固態(tài)核磁共振的二維技術(shù)精準(zhǔn)識(shí)別混合塑料中的酯鍵、芳香環(huán)、氯代烷烴、烷基鏈等關(guān)鍵官能團(tuán)分布,進(jìn)而針對(duì)性設(shè)計(jì)正交化學(xué)反應(yīng)路徑,依托溶劑萃取、光催化氧化、催化胺化、皂化、脫氫偶聯(lián)及加氫裂解等多步驟有機(jī)整合,逐級(jí)分離轉(zhuǎn)化,最終聯(lián)產(chǎn)多類高值化學(xué)品。
研究團(tuán)隊(duì)從模型體系出發(fā),設(shè)計(jì)了完備的識(shí)別和轉(zhuǎn)化路線。繼而以20克來(lái)自人類生活的真實(shí)混合塑料廢棄物樣品為例,成功將聚苯乙烯、聚乳酸、聚氨酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、PET、聚烯烴等多類塑料,正交分級(jí)轉(zhuǎn)化獲得苯甲酸(1.3g)、鄰苯二甲酸酯(0.5g)、丙氨酸(0.7g)、乳酸(0.7g)、芳香胺鹽(1.4g)、雙酚A(2.0g)、對(duì)苯二甲酸(2.0g)及 C3-6 烷烴(3.5g)等多種高值化學(xué)品。其中,多項(xiàng)產(chǎn)物為重要化工原料及醫(yī)藥中間體,經(jīng)濟(jì)附加值遠(yuǎn)超常規(guī)熱裂解所得的低值氣體與燃油產(chǎn)品,大幅提升廢棄塑料資源化的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境效益。
該方法普適性強(qiáng),適配多種真實(shí)廢棄物樣本。進(jìn)一步研究顯示,該策略對(duì)來(lái)自日常生活、石化企業(yè)、汽車維修、紡織工業(yè)等不同來(lái)源的包含印刷顏料、染色劑、增塑劑、生物質(zhì)等雜質(zhì)的各種復(fù)雜真實(shí)塑料廢棄物樣品同樣適用。核磁共振可快速識(shí)別不同樣本中主要官能團(tuán)結(jié)構(gòu),然后設(shè)計(jì)正交轉(zhuǎn)化路徑,靈活調(diào)整反應(yīng)路線,高效聯(lián)產(chǎn)高值化學(xué)品。驗(yàn)證結(jié)果表明,該策略具有良好的普適適配性與應(yīng)用推廣潛力。
本項(xiàng)研究突破了長(zhǎng)期困擾混合塑料廢棄物高值化回收的技術(shù)瓶頸,提出了官能團(tuán)識(shí)別+目標(biāo)產(chǎn)物定向+正交反應(yīng)路徑設(shè)計(jì)的整體耦合方案,為復(fù)雜塑料廢棄物回收利用提供了全新范式。未來(lái),團(tuán)隊(duì)將圍繞正交轉(zhuǎn)化策略,系統(tǒng)評(píng)估工藝能耗、碳排放、回收效率及生命周期環(huán)境效應(yīng),持續(xù)優(yōu)化工藝體系,助力塑料資源化技術(shù)向高值化、低碳化、循環(huán)化方向升級(jí),切實(shí)服務(wù)國(guó)家雙碳戰(zhàn)略與全球可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。
“我們希望通過(guò)這一技術(shù),不僅推動(dòng)學(xué)術(shù)前沿研究,更要為全球塑料污染治理和‘雙碳’目標(biāo)實(shí)現(xiàn),提供具備現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)價(jià)值的解決方案?!?—— 馬丁教授團(tuán)隊(duì)表示。
Nature同期發(fā)文評(píng)論 “該成果是應(yīng)對(duì)全球年產(chǎn)巨量塑料問(wèn)題的重要進(jìn)展。”
該論文第一作者為北京大學(xué)特聘副研究員張梅琦和中科院大連化物所博士后周易達(dá)。論文通迅作者為北京大學(xué)馬丁教授,王蒙副研究員,中科院大連化物所徐舒濤研究員。該研究工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市重點(diǎn)基金、騰訊基金會(huì)科學(xué)探索獎(jiǎng)、新基石研究員項(xiàng)目、北京分子科學(xué)國(guó)家研究中心等資助。
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