科学家打造出革命性环保塑料:可无限可回收利用

2021年05月14日 16:46 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

据外媒报道,一项新的环境和技术分析表明,一种革命性的环保塑料即将上市。塑料几乎是我们日常使用的每一种产品的一部分。在美国,平均每人每年产生约100公斤塑料垃圾,其中大部分直接进入了垃圾填埋场。

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现在,来自劳伦斯伯克利国家实验室的Corinne Scown、Brett Helms、Jay Keasling和Kristin Persson领导的团队着手改变这一现状。

大概两年不到以前,Helms宣布发明了一种新的塑料,它可以正面解决垃圾危机。这种材料被称为poly(diketoenamine)(简称PDK),它具有传统塑料的所有便利特性与此同时还避免了环境缺陷,因为跟传统塑料不同,PDK可以无限回收且质量也不会有损失。

现在,该团队发布的一项研究表明,如果制造商开始大规模使用PDK那么可以实现什么。据悉,基于PDK的塑料可以很快在商业上跟传统塑料竞争,并且随着时间的推移,这种产品将会变得更便宜、更可持续。

“塑料从未被设计成可回收的,”该报告的第一作者、曾与资深作者Corinne Scown共事的博士后Nemi Vora指出,“但推动可持续发展是这个项目的核心。PDK从一开始就被设计为可循环利用的材料,从一开始,该团队就致力于改进PDK的生产和回收过程从而使这种材料能以低成本并容易地应用于从包装到汽车的任何商业规模。”

该研究为年产2万吨PDK的工厂提供了一个模拟,据悉,该工厂生产新的PDK并吸收使用过的PDK废料进行回收利用。作者计算了所需的化学投入和技术以及成本和温室气体排放,然后将他们的发现跟生产传统塑料的同等数字进行比较。

“如今,在行业中采用循环经济的做法有着很大的推动作用。每个人都试图回收他们在市场上推出的任何东西。我们开始跟工业界讨论使用100%无限回收塑料并收到了很多兴趣。”问题是它的成本是多少,对能源使用和排放的影响是什么,以及如何实现我们今天的目标,”Helms补充道,“我们合作的下一个阶段就是回答这些问题。”

截止到目前,已经生产了83多亿公吨的塑料材料,其中绝大多数都被扔进了垃圾填埋场或垃圾焚烧厂。一小部分塑料则会被“机械”回收,这意味着它们会被熔化,然后重新塑造成新产品。然而,这种技术的好处有限。塑料树脂本身是由许多相同的分子结合成长链组成的。然而为了使塑料具有多种质地、颜色和性能,颜料、热稳定剂和阻燃剂等添加剂会被添加其中。当许多塑料一起熔化时,聚合物跟大量潜在不相容的添加剂混合,这会导致新材料的质量远远低于由原材料生产的新树脂。因此,只有不到10%的塑料能够被机械回收不止一次,而回收塑料通常也含有原始树脂来弥补质量的下降。

PDK塑料则完全避开了这个问题--树脂聚合物被设计成跟酸混合时很容易分解成单个单体。然后,这些单体可以从任何添加剂中分离出来,并在不降低质量的情况下合成新的塑料。该团队早些时候的研究表明,这种“化学循环”过程对能源和二氧化碳排放都很轻且可以无限重复,并由此创造出一种完全循环的材料生命周期。

然而尽管有这些不可思议的特性,要想真正击败塑料PDK还需要方便。回收传统的石油基塑料可能很难,但制造新塑料却非常容易。

Scown表示:“我们说的是基本上不能回收的材料。因此,就吸引制造商而言,PDK并不是跟回收塑料竞争,而是跟原始树脂竞争。我们很高兴看到这种材料的循环利用既便宜又高效。”

Scown是伯克利实验室能源技术和生物科学领域的一名专职科学家,专门研究新兴技术对未来环境和金融影响的建模。她和她的团队从一开始就致力于PDK项目,帮助Helms的化学家和制造科学家团队选择原材料、溶剂、设备和技术以此生产出最实惠和环保的产品。

她表示他们正在使用不同的投入和技术在采用早期的技术并设计它在商业规模运营时的样子。这种独特的协作建模过程使得伯克利实验室的科学家能够识别潜在的扩大挑战,并在没有昂贵的反复试验和错误的情况下进行流程改进。

由于工艺建模的优化,回收PDK已经吸引了需要塑料来源的公司的兴趣。Helms和他的同事们一直着眼于未来,从项目初期开始就一直在进行市场调查,并跟商业人士会面。他们的调查显示,PDK的最佳初始应用是制造商将在其使用寿命结束时收回产品的市场如汽车工业和消费电子产品。这些公司将能在他们的产品中获得100%可回收PDK的好处:可持续的品牌和长期的节约。

“有了PDK,工业界的人们现在有了选择,”Helms说道,“我们正在引入合作伙伴,让他们在产品线和制造能力中构建循环并为他们提供符合未来最佳实践的选择。”

Scown则补充称:“一些国家计划对使用非回收材料的塑料产品收取高额费用。这一转变将为放弃使用原始树脂提供强大的财政激励并将推动对再生塑料的大量需求。”

在渗透到汽车和电子产品等耐用产品市场后,该团队希望将PDK扩展到寿命较短的一次性产品如包装。

而在制定商业发射计划的同时,科学家们也在继续PDK生产过程的技术经济合作。虽然回收PDK的成本已经被预测为较低,但科学家们正在研究进一步的改进以降低原始PDK的成本,这样公司就不会被初始投资价格所阻碍。

与此同时,科学家们一如既往地领先了两步。Scown还是联合生物能源研究所(JBEI)Life-cycle, Economics & Agronomy的副总裁,Helms和Jay Keasling则正在合作,Jay Keasling是伯克利实验室和加州大学伯克利分校的领先合成生物学家同时还是JBEI的CEO,这群人正在设计一种使用微生物制造的前体成分生产PDK聚合物的工艺。

“就在我们开始PDK项目前不久,我参加了一个研讨会,在那里Jay描述了JBEI用他们的工程微生物可以制造的所有分子。(对此)我非常兴奋,因为我看到一些分子是我们放入PDK的东西。Jay和我聊了几次,我们意识到几乎整个聚合物都可以用经过工程微生物发酵的植物材料制成。未来,我们将引入生物成分,这意味着我们可以开始理解从传统原料过渡到独特的、可能具有优势的生物原料的影响,包括能源、碳、或水的生产强度以及循环利用。所以,就我们现在所处的位置而言,这是很多事情的第一步,我认为我们还有很长的路要走,这很令人兴奋,”Helms说道。

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