塑料回收最新Science:廢棄塑料可變成肥皂！！！

一、【導讀】

作為應用最廣泛的兩種商業化塑料，聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）占世界塑料產量的近60%（~400億噸）。在所有塑料中，PE和PP的制造與最高的能源消耗有關，并且對年度溫室氣體排放量做出了重大貢獻，短期使用的塑料很快就會變成廢物并造成大量污染。為了回收PE和PP，廢物收集和分類過程必須經濟高效以降低成本，理想情況下，回收產品應具有高價值和高體積，以對廢物積累產生重大影響。雖然PE和PP可以通過以水為介質的沉浮法從聚氯乙烯（PVC）和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）等重于水的聚合物中分離出來，但由于PE和PP的結構和密度相似，進一步分離更具挑戰性。此外，這兩種聚合物不相容，除非使用昂貴且復雜的相容劑，否則不能使兩種聚合物混合。因此， 找到一種通用且有利可圖的方法來回收或升級回收PE和PP，同時提高其最終產品價值超過原始塑料，具有重大意義。而將塑料廢物轉化為脂肪酸是一種非常有前景的手段。

二、【成果掠影】

近日，美國弗吉尼亞理工大學劉國良教授和美國橡樹嶺國家實驗室Bobby G. Sumpter教授團隊報道了一種梯度溫度熱解方法，該方法可以將80%的聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）轉化為平均摩爾質量分別為700和670道爾頓的脂肪酸。該工藝適用于PE和PP廢棄物及其混合物，溫度梯度熱解是控制將PE和PP降解為蠟和抑制小分子產生的關鍵。通過隨后的皂化反應可以獲得含有脂肪酸鹽的離子表面活性劑產品。而且通過簡單地與添加劑（例如香料）混合可以產生高價值、大市場容量的商業化產品，例如肥皂棒和液體洗滌劑。相關成果以“Chemical upcycling of polyethylene, polypropylene, and mixtures to high-value surfactants”為題發表在最新一期的Science上。

三、【核心創新點】

1.梯度溫度熱解方法可以將PE和PP廢棄物及其混合物轉變為肥皂棒和液體洗滌劑等商業化產品，實現了PE和PP的循環利用

2.該項工藝可耐受氧氣，不需要昂貴的催化劑或嚴格的反應條件

四、【數據概覽】

圖1.?在溫度梯度反應器中PE和PP升級循環為脂肪酸 ? 2023AAAS

?(A)工業聚烯烴(包括高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)和PP)的分離和升級回收的工藝流程示意圖，使用定制設計的梯度熱反應器進行肥皂產品的生產。溫度梯度反應器設有冷熱區，防止PE和PP完全熱裂解成小分子，是控制碎片化產物鏈長的關鍵。照片顯示了本研究中使用的具有代表性的PE和PP廢棄物(HDPE容器，雜貨袋，三明治袋，瓶蓋，PP離心管，PP泡沫)，以及各種形狀的中間蠟，脂肪酸，表面活性劑溶液和肥皂的產品。每公噸普通表面活性劑產品的市場價格幾乎是原生塑料的兩倍。(B) PE和PP升級回收制脂肪酸的反應方案。(C)有溫度梯度和無溫度梯度時PE在反應器中降解后的代表性產物分布。氣相色譜法測定其分布和強度。從3到7分鐘的信號與甲苯溶劑重疊，因此沒有顯示清楚。(附圖)有溫度梯度和無溫度梯度的反應器紅外熱像圖。(D)所得脂肪酸的AN與硬脂酸(SA、C18)和PE平均碳數為C47、PP平均碳數為C45的脂肪酸理論值的比較。誤差條為至少三個重復的標準差

圖2.?PE降解為中間蠟并升級再造為脂肪酸 ? 2023AAAS

實驗室級PE在N₂、10 vol %的O₂與N₂平衡或空氣中降解后中間蠟的產率(A)和GC-MS色譜圖(B)。(C)PE-N₂-蠟在氘化對二甲苯中的NMR-HMBC光譜。圓圈突出了主要和次要烯烴產物的碳氫相關關系。(D) PE-O-蠟制備所得脂肪酸的NMR-HMBC譜圖。黑框突出了兩個羧基碳與質子的關系。(C)和(D)]中插圖為主要烯烴和脂肪酸產物的化學結構

圖3.?PP和PE/PP混合物降解為中間蠟并升級再造為脂肪酸 ? 2023AAAS

(A)實驗室級PP在N₂、N₂/O₂混合物(10 vol % O₂)或空氣中降解后的中間蠟收率，以及PE/PP廢混合物(包括25 wt % HDPE、25 wt % PP、25 wt % LDPE和25 wt % PE/PP)在N₂中降解后的蠟收率。PE/PP廢混合物的蠟產率低是由于固體污染物的存在，如紙標簽、油漆和染料。(B) PP-N₂-蠟在氘化對二甲苯中的NMR HMBC譜。(插圖)主要烯烴產品的化學結構。圓圈分別表示主要烯烴產物和次要烯烴產物的碳氫鍵關系。(C) PP-air-FA的NMR-HMBC譜圖。(插圖)主要脂肪酸產物的化學結構。黑框突出了三個羧基碳與質子的關系

圖4.?PE和PP中β-斷裂的合理反應途徑、熱力學和動力學過程 ? 2023AAAS

(A)模擬捕獲的模型聚合物鏈裂解成烷烴和烯烴片段，隨后氧化成脂肪酸的過程。(B)在PE或PP, R=H或CH3中自由基的β-裂解。(C) 298、633和823 K時PE和PP β-斷裂的熱力學參數和(D)根據Banson基團加和法計算的動力學常數

五、【成果啟示】

本研究展示了一種不使用新型催化劑或復雜程序的塑料升級回收新途徑，生產的脂肪酸具有廣泛的用途，既可以保存在塑料循環中，也可以用于下游用途。下游表面活性劑產品的市場價值至少是原始塑料的兩倍，代表了一個具有經濟競爭力的塑料廢物循環利用過程。在溫度梯度反應器中控制熱裂解是控制蠟制品相對于小氣體分子高產率的關鍵。與現有工藝不同，該項工藝可耐受氧氣，不需要昂貴的催化劑或嚴格的反應條件。預計該工藝將適用于各種其他塑料廢物，以生產高價值、大市場容量的產品(例如，脂肪醇和硫酸酯)。

原文詳情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh0993

本文由小藝撰稿