新材料：新型催化劑能在幾分鐘內(nèi)徹底分解持久性塑料污染

　　新工藝可回收 99% 的單體(如圖所示)，即尼龍的組成部分。回收單體后，工業(yè)界可將尼龍循環(huán)利用，制成價值更高的產(chǎn)品。資料來源：美國西北大學(xué)

　　現(xiàn)在，美國西北大學(xué)的化學(xué)家們開發(fā)出了一種新型催化劑，可以在幾分鐘內(nèi)快速、干凈、徹底地分解尼龍-6，而且不會產(chǎn)生有害的副產(chǎn)品。更妙的是 該工藝不需要有毒溶劑、昂貴材料或極端條件，因此可用于日常應(yīng)用。

　　這種新型催化劑不僅能在環(huán)境修復(fù)方面發(fā)揮重要作用，還能在將尼龍-6 廢料升級再造為更高價值的產(chǎn)品方面邁出第一步。

　　觀看催化劑降解 1 克 Nylon-6 樣品的過程。資料來源：美國西北大學(xué)

　　這項研究最近發(fā)表在《化學(xué)》雜志上。

　　該研究的資深作者、西北大學(xué)的托賓-馬克斯(Tobin Marks)說："全世界都意識到了塑料問題。塑料是我們社會的一部分，我們使用了大量的塑料。但問題是： 用完之后我們該怎么辦?理想情況下，我們不會將其焚燒或填埋。我們要回收利用。我們正在開發(fā)能分解這些聚合物的催化劑，使它們恢復(fù)到原來的形態(tài)，這樣就可以重新利用了"。

　　馬克斯是西北大學(xué)溫伯格文理學(xué)院查爾斯-莫里森和艾瑪-莫里森化學(xué)教授、弗拉基米爾-伊帕蒂耶夫催化化學(xué)教授，以及西北大學(xué)麥考密克工程學(xué)院材料科學(xué)與工程教授。他還是 Paula M. Trienens 可持續(xù)發(fā)展與能源研究所的教員。西北大學(xué)的合著者包括化學(xué)與生物工程系薩拉-麗貝卡-羅蘭(Sarah Rebecca Roland)教授兼麥考密克高級副院長琳達(dá)-布羅德貝爾特(Linda J. Broadbelt)，以及馬克斯研究小組的研究助理教授約西-克拉提什(Yosi Kratish)。

　　致命的難題

　　從衣服、地毯到安全帶，尼龍-6 存在于大多數(shù)人每天使用的各種材料中。但是，當(dāng)人們用完這些材料后，它們最終會被填埋，或者更糟糕的是：散落在包括海洋在內(nèi)的環(huán)境中。據(jù)世界野生動物聯(lián)盟稱，每年被遺棄在海洋中的漁具多達(dá) 100 萬磅，其中由尼龍-6 構(gòu)成的漁網(wǎng)至少占太平洋大垃圾帶的 46%。

　　一只被廢棄漁網(wǎng)纏住的海龜。資料來源：美國國家海洋和大氣管理局

　　"漁網(wǎng)使用幾年后就會失去使用性能，"論文的第一作者、馬克斯實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員葉立偉(音譯)說。"它們會被水嚴(yán)重浸泡，很難從海里撈出來。而且它們的更換成本很低，人們就把它們留在水里，然后再買新的。"

　　"海洋中有大量垃圾，"馬克斯補(bǔ)充道。"紙板和食物垃圾會生物降解。金屬沉入海底。然后就剩下塑料了。"

　　最環(huán)保的溶劑是無溶劑

　　目前處理尼龍-6 的方法僅限于簡單地將其埋入垃圾填埋場。焚燒尼龍-6 時，會排放出有毒污染物，如氮氧化物(與包括過早死亡在內(nèi)的各種健康并發(fā)癥有關(guān))或二氧化碳(一種臭名昭著的強(qiáng)效溫室氣體)。

　　雖然其他實(shí)驗(yàn)室也探索過降解尼龍-6 的催化劑，但這些催化劑需要在極端條件下使用(如溫度高達(dá) 350 攝氏度)、高壓蒸汽(耗能高且效率低)和/或有毒溶劑，而這些只會造成更多污染。

　　馬克斯說："可以用酸來溶解塑料，但這樣就會留下臟水。怎么處理這些水?我們的目標(biāo)始終是使用綠色溶劑。有哪種溶劑比不使用溶劑更環(huán)保呢?"

　　新型催化劑可在幾分鐘內(nèi)降解尼龍 6 樣品。資料來源：美國西北大學(xué)

　　回收用于升級再循環(huán)的構(gòu)件

　　為了繞過這些問題，研究人員研究了馬克斯實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開發(fā)出的一種新型催化劑。這種催化劑利用了釔(一種廉價的地球富集金屬)和鑭離子。當(dāng)研究小組將尼龍-6 樣品加熱到熔化溫度，并在不使用溶劑的情況下使用催化劑時，塑料就會分崩離析--還原成其原始的結(jié)構(gòu)單元，而不會留下副產(chǎn)品。

　　"你可以把聚合物想象成一條項鏈或一串珍珠，"馬克斯解釋道。"在這個比喻中，每顆珍珠都是一個單體。這些單體就是構(gòu)件。我們設(shè)計了一種方法來分解項鏈，但恢復(fù)這些珍珠"。

　　在實(shí)驗(yàn)中，馬克斯和他的團(tuán)隊能夠回收 99% 的塑料原始單體。原則上，這些單體可以再循環(huán)利用，制成價值更高的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品目前因其強(qiáng)度和耐用性而需求量很大。

　　"回收尼龍實(shí)際上比普通尼龍更值錢，"馬克斯說。"許多高端時尚品牌都在服裝中使用回收尼龍。"

　　除了回收率高的單體外，這種催化劑還具有高度的選擇性--只對尼龍-6 聚合物起作用，而不會破壞周圍的材料。這意味著業(yè)界可以將催化劑用于大量未分類的廢料，并選擇性地針對尼龍-6。

　　"如果沒有選擇性催化劑，如何將尼龍從其他廢料中分離出來?需要雇人對所有廢料進(jìn)行分類，以去除尼龍。這樣做既昂貴又低效。但如果催化劑只降解尼龍，而把其他東西都留下來，那效率就高得驚人了。"

　　回收這些單體還可以避免從頭開始生產(chǎn)更多塑料。這些單體是用原油生產(chǎn)的，因此會產(chǎn)生巨大的碳足跡。

　　在為新工藝申請專利后，馬克斯和他的團(tuán)隊已經(jīng)收到了潛在工業(yè)合作伙伴的興趣。他們希望其他人能大規(guī)模使用他們的催化劑，幫助解決全球塑料問題。

　　"我們的研究代表著聚合物回收和可持續(xù)材料管理領(lǐng)域向前邁出的重要一步，"Ye 說。"這種創(chuàng)新方法解決了當(dāng)前回收技術(shù)中的一個關(guān)鍵缺口，為尼龍廢料問題提供了一種實(shí)用高效的解決方案。我們相信，它對減少塑料的環(huán)境足跡和促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有重要意義。"