清華大學(xué)和北京化工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種升級(jí)回收PET塑料新方法：該方法能變廢為寶，具有經(jīng)濟(jì)可行性，有助于管理塑料污染。
PET的化學(xué)全稱為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐水等特性，常用于制作飲料瓶、衣物、地毯等。每年約生產(chǎn)7000萬(wàn)噸PET塑料用于包裝和紡織品，其中只有一小部分(<20%)得到回收。
研究人員提供了一種可持續(xù)新方案：使用儲(chǔ)量豐富的金屬基催化劑，將PET塑料轉(zhuǎn)化為價(jià)值更高的化學(xué)材料二甲酸鉀——一種新興且安全的動(dòng)物生長(zhǎng)促進(jìn)劑，以及清潔能源氫氣。
此研究于當(dāng)?shù)貢r(shí)間8月17日發(fā)布在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》上，論文標(biāo)題為《Electrocatalytic upcycling of polyethylene terephthalate to commodity chemicals and H2 fuel》(將PET電催化升級(jí)為商品化學(xué)品和氫氣燃料)，論文通訊作者為清華大學(xué)化學(xué)系副教授段昊泓。
20世紀(jì)50年代初以來，人們生產(chǎn)的塑料已超過80億噸，其中79%的塑料被丟棄、堆積在垃圾填埋場(chǎng)或水體中，對(duì)環(huán)境和生物造成嚴(yán)重威脅。塑料回收對(duì)節(jié)約不可再生資源有重要意義，同時(shí)能夠減少二氧化碳排放。
傳統(tǒng)的塑料回收策略(如機(jī)械方法)成功率有限，回收率低于10%。而且與原始塑料相比，再生材料的性能較差，這通常叫做“降級(jí)回收”。
化學(xué)回收方法則通過將塑料廢棄物催化轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量單體或升級(jí)為增值產(chǎn)品，從而獲得更多價(jià)值。化學(xué)回收方法主要取決于催化劑效率、過程的可持續(xù)性和盈利能力。
“實(shí)際上，塑料的閉環(huán)回收在反應(yīng)上不是難點(diǎn)，其瓶頸在于整個(gè)工藝的經(jīng)濟(jì)可行性。塑料化學(xué)回收主要包含三個(gè)過程：一、原料收集和預(yù)處理;二、催化轉(zhuǎn)化;三、產(chǎn)物分離。”其中，過程一和三是成本和能耗的主要所在，而催化劑的貢獻(xiàn)主要在過程二中。段昊泓表示，“我們認(rèn)為塑料回收的關(guān)鍵不只取決于催化劑，在增加產(chǎn)物價(jià)值、工藝優(yōu)化、政策調(diào)控等各方面都至關(guān)重要。”
論文稱，電催化可由可再生能源(太陽(yáng)能、風(fēng)能和水力發(fā)電)提供動(dòng)力，這是一種可持續(xù)且有吸引力的方式，可在溫和條件下從陰極的水和陽(yáng)極的有機(jī)化合物中產(chǎn)生清潔的氫氣。
電催化已經(jīng)在各種有機(jī)化合物的高效轉(zhuǎn)化上取得很大進(jìn)展。不過，將PET廢棄物電催化轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的產(chǎn)品在很大程度上未得到探索。
“我們?cè)谶@項(xiàng)工作中提出了電催化廢棄PET塑料升級(jí)再造的新策略，驗(yàn)證了由廢棄PET制備高附加值的對(duì)苯二甲酸、二甲酸鉀和氫氣反應(yīng)的可行性。通過工藝的整合以及產(chǎn)物價(jià)值的提高，使得該電催化PET升級(jí)再造策略具有潛在經(jīng)濟(jì)可行性。”段昊泓對(duì)澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者介紹道。
此項(xiàng)研究中，研究者展示了一種電催化策略，在氫氧化鉀電解質(zhì)溶液中使用雙功能CoNi0.25P電催化劑，將PET轉(zhuǎn)化為具有高附加值的二甲酸鉀和對(duì)苯二甲酸的商品化學(xué)品，并產(chǎn)生副產(chǎn)物——?dú)錃狻?/p>
具體而言：PET在堿性溶液中電解得到包括對(duì)苯二甲酸和乙二醇在內(nèi)的單體，乙二醇在電解槽中通過陽(yáng)極CoNi0.25P催化氧化以>90%的選擇性通過進(jìn)行C-C鍵裂生成甲酸鹽，同時(shí)在陰極同一催化劑上產(chǎn)生氫氣。隨后，甲酸用作PET電解質(zhì)的酸化劑，用于對(duì)苯二甲酸沉淀和過濾再生，所得液流通過濃縮和結(jié)晶轉(zhuǎn)化為固體二甲酸鉀。
從催化劑的角度來看，地球鎳基和鈷基催化劑儲(chǔ)量豐富，它們達(dá)成了PET的高效升級(jí)回收和高產(chǎn)物選擇性，使得產(chǎn)物容易分離。
“在反應(yīng)產(chǎn)物中，二甲酸鉀具有生物活性，能抑制大腸桿菌，沙門氏菌等有害微生物的繁殖，促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)，是一種理想的非抗生素類飼料添加劑，可替代抗生素促生長(zhǎng)劑，已于2001年由歐盟批準(zhǔn)使用。隨著我國(guó)采取立法手段禁用飼料添加抗生素，二甲酸鉀在國(guó)內(nèi)具有廣闊成長(zhǎng)空間。”段昊泓表示。
研究者評(píng)估了這一過程的經(jīng)濟(jì)可行性：在商業(yè)通用電流密度 (>300 mA cm?2) 下，1噸廢舊 PET 的升級(jí)回收凈收入約為 350 美元。
就技術(shù)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，段昊泓說，每一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)從誕生到最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)化都是一條漫長(zhǎng)的過程。
“我們認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模邁向工業(yè)規(guī)模的關(guān)鍵之一在于流動(dòng)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。目前我們正在開發(fā)的新型無(wú)膜電堆，具有成本低，可規(guī)模化等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)取得一些進(jìn)展，研究工作待發(fā)表。”段昊泓說，“我們希望通過不斷地優(yōu)化催化劑、反應(yīng)器、操作條件等，最終實(shí)現(xiàn)廢棄資源轉(zhuǎn)化的工業(yè)應(yīng)用。”
此項(xiàng)研究工作可能為從塑料廢物中制備增值商品化學(xué)品和清潔氫氣燃料的盈利性和可持續(xù)發(fā)展開辟一條途徑。
關(guān)于PET 升級(jí)回收的下一步研究，段昊泓表示，“我們下一步將開發(fā)更高效的反應(yīng)器用于規(guī)模化的PET升級(jí)回收，開展低成本塑料單體回收工藝，發(fā)展PET轉(zhuǎn)化為其他高附加值產(chǎn)品新路徑，同時(shí)挑戰(zhàn)更有難度的聚乙烯等塑料的催化轉(zhuǎn)化。”
