新技術：將塑料垃圾轉化為肥皂洗滌劑等

　　弗吉尼亞理工大學的研究人員開發出一種新技術，可將塑料回收利用，制成有價值的化學物質--表面活性劑，用于制造肥皂、洗滌劑等。塑料和肥皂在質地、外觀以及最重要的使用方式方面往往沒有什么共同之處。但在分子水平上，兩者之間卻有著驚人的聯系： 聚乙烯是當今世界上最常用的塑料之一，其化學結構與用作肥皂化學前體的脂肪酸極為相似。這兩種材料都是由長長的碳鏈組成，但脂肪酸在碳鏈末端多了一個原子團。

　　長期以來，弗吉尼亞理工大學理學院化學副教授劉國良一直認為，這種相似性意味著將聚乙烯轉化為脂肪酸是可能的，只需增加幾個步驟，就能生產出肥皂。目前的挑戰是如何將長聚乙烯鏈分解成許多短鏈，但又不能太短，以及如何高效地完成這一過程。劉認為，一種新的升級再造方法很有潛力，它可以將低價值的塑料廢物轉化為高價值的有用商品。

　　劉國梁在他位于南哈恩廳的實驗室里拿著一個普通水壺。圖片來源：弗吉尼亞理工大學 Steven Mackay 供圖。

　　在考慮這個問題一段時間后，劉國梁在一個冬天的夜晚在壁爐旁享受爐火時突然有了靈感。他看著從火堆中升起的煙霧，想到煙霧是由木材燃燒時產生的微小顆粒組成的。

　　雖然出于安全和環保的考慮，塑料絕不能在壁爐中燃燒，但劉開始思考，如果聚乙烯可以在安全的實驗室環境中燃燒，會發生什么情況。聚乙烯的不完全燃燒是否會像木材燃燒一樣產生"煙霧"?如果有人能捕捉到這些煙霧，它又是由什么構成的呢?

　　"木柴的主要成分是纖維素等聚合物。木柴燃燒時會將這些聚合物分解成短鏈，然后在完全氧化成二氧化碳之前變成小的氣態分子，"化學系布萊克伍德生命科學青年教師獎學金獲得者劉說。"如果我們同樣分解合成聚乙烯分子，但在它們完全分解成小氣態分子之前停止這一過程，那么我們就應該得到類似聚乙烯的短鏈分子。"

　　在劉博士實驗室的兩名化學博士生徐震(音譯)和埃里克-穆尼亞內扎(音譯)的幫助下，劉博士建造了一個類似烤箱的小型反應器，在這個反應器中，他們可以通過一種叫做溫度梯度熱解的過程加熱聚乙烯。在底部，烤箱處于足以破壞聚合物鏈的高溫，而在頂部，烤箱被冷卻到足夠低的溫度，以阻止任何進一步的破壞。熱解結束后，他們收集了殘留物--類似于清理煙囪里的煙灰--發現劉的預感是正確的：殘留物由"短鏈聚乙烯"組成，更準確地說，是蠟。

　　在油浴中加熱裝有由廢棄聚乙烯和聚丙烯產生的蠟的燒瓶，蠟在氣流的作用下通過催化氧化生成脂肪酸。圖片來源：弗吉尼亞理工大學 Steven Mackay 供圖。

　　這是開發塑料肥皂升級再循環方法的第一步。在增加了皂化等幾個步驟后，研究小組用塑料制成了世界上第一塊肥皂。為了繼續推進這一過程，該團隊尋求了計算建模、經濟分析等方面專家的幫助。

　　通過與弗吉尼亞理工大學大分子創新研究所的聯系，團隊認識了其中一些專家。他們一起記錄并完善了升級再循環過程，直到可以與科學界分享為止。這項工作最近發表在《科學》雜志上。

　　"我們的研究展示了一條無需使用新型催化劑或復雜程序的塑料升級再循環新途徑。在這項工作中，我們展示了串聯策略在塑料回收方面的潛力，"論文第一作者徐說。"這將啟迪人們在未來開發出更具創造性的升級再循環程序設計"。

　　雖然聚乙烯是啟發這個項目的塑料，但這種升級再造方法也可以用于另一種塑料，即聚丙烯。從產品包裝、食品容器到織物，這兩種材料構成了消費者每天接觸到的大部分塑料。劉國梁的新升級再造方法的一個令人興奮的特點是，它可以同時用于這兩種塑料，這意味著無需將這兩種塑料分開。與目前使用的一些回收方法相比，這是一個重大優勢，因為后者需要對塑料進行仔細分類，以避免污染。由于這兩種塑料非常相似，因此分類過程相當困難。

　　(左起)Eric Munyaneza 和 劉國梁在南哈恩廳的實驗室里準備將塑料材料升級再造為脂肪酸液體。Munyaneza也是《科學》雜志研究報告的作者之一。圖片來源：弗吉尼亞理工大學 Steven Mackay 供圖。

　　升級再循環技術的另一個好處是它的要求非常簡單：塑料和熱量。雖然該工藝的后期步驟需要一些額外成分將蠟分子轉化為脂肪酸和肥皂，但塑料的初始轉化是一個直接的反應。因此，這種方法不僅成本效益高，而且對環境的影響相對較小。

　　要想使升級再造大規模有效，最終產品必須有足夠的價值來彌補工藝成本，使其在經濟上比其他回收方案更具吸引力。

　　雖然肥皂最初看起來并不像一種特別昂貴的商品，但按重量比較，肥皂的價值實際上是塑料的兩倍或三倍。目前，肥皂和洗滌劑的平均價格約為每公噸 3550 美元，而聚乙烯的價格約為每公噸 1150 美元。此外，肥皂和相關產品的需求量與塑料的需求量相當。

　　劉說，這項研究為通過將廢舊塑料用于生產其他有用材料來減少廢物的新方法奠定了基礎。隨著時間的推移，他希望世界各地的回收設施都能開始采用這種技術。屆時，消費者將有機會購買到革命性的可持續肥皂產品，從而減少垃圾填埋場中的塑料垃圾。出于這個原因，將塑料轉化為肥皂在經濟上是可行的，他同時也是納米科學項目的一名附屬教師，該項目隸屬于理學院的綜合科學院以及弗吉尼亞理工大學工程學院的材料科學與工程系。

　　"應該認識到，塑料污染是一個全球性挑戰，而不是幾個主流國家的問題。與復雜的工藝和復雜的催化劑或試劑相比，簡單的工藝可能更容易為世界上許多其他國家所接受，"徐說。"我希望這能成為抗擊塑料污染戰爭的一個良好開端。