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新資訊:我國(guó)科學(xué)家為廢棄塑料“人工碳循環(huán)”找到新方法

2023-07-01 13:57:51 來(lái)源:中國(guó)青年網(wǎng)
02:29

王敏 中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 王海涵 王磊


(資料圖片僅供參考)

小到一根吸管,大到一輛汽車(chē),人們的生活離不開(kāi)塑料,然而,大規(guī)模塑料生產(chǎn)卻給自然界帶來(lái)難題,解決“白色污染”問(wèn)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(lèi),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(zhuān)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(guò)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(guò)焚燒或填埋處理廢棄的聚乙烯塑料,焚燒過(guò)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(guò)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(guò)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(shuō),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(kāi)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(guò)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(guò)程中產(chǎn)生氫氣,加氫裂化過(guò)程中消耗氫氣。如果將這兩個(gè)過(guò)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(xiāo)’。”

最重要的是,這個(gè)過(guò)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(guò)程并沒(méi)有發(fā)生,只生成了極少量的烯烴,說(shuō)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(guò)程,并釋放出氫氣,順利引發(fā)后續(xù)的加氫裂化過(guò)程。

未來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)程。

最終,在分子篩負(fù)載金屬釕催化劑的作用下,經(jīng)過(guò)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(shuō):“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(shù)脂和纖維的原材料,用途廣泛。我們將開(kāi)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。”(視頻為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)制作提供)

(來(lái)源:中國(guó)青年報(bào)客戶端)

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