我們在日常生活中隨處可見聚乙烯塑料,從輕便的購物袋到耐用的食品包裝袋,從時尚服飾到建筑材料,它的廣泛應(yīng)用極大地便利了人們的生活需要。與之相隨的,是一個不容忽視的問題——廢舊塑料對環(huán)境的污染。
人們對一次性塑料用品的使用依賴,導(dǎo)致大量廢棄聚乙烯塑料被丟棄在自然環(huán)境中,這些塑料廢棄物難以降解,它們在污染環(huán)境的同時還威脅著野生動植物的生存,甚至通過食物鏈間接影響著人類的健康。長此以往,會對土壤、水源和生態(tài)系統(tǒng)造成不容忽視的負面影響。
那么,如何才能實現(xiàn)對廢棄聚乙烯塑料的環(huán)?;厥蘸脱h(huán)利用呢?
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2024年4月9日,中國科學(xué)家在《自然-化學(xué)》(Nature Chemistry)雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于循環(huán)利用聚乙烯制備高品質(zhì)汽油的文章,有望實現(xiàn)廢棄聚乙烯塑料的高效利用。
研究成果發(fā)表于《自然-化學(xué)》雜志。圖片來源:《自然-化學(xué)》雜志
從聚乙烯塑料到高品質(zhì)汽油的轉(zhuǎn)化
廢棄塑料的資源化利用,不僅可以解決環(huán)境污染問題,還能實現(xiàn)資源可持續(xù)發(fā)展。在廢棄塑料中,聚乙烯轉(zhuǎn)化難度很大,其非極性的“碳-碳鍵”在低溫條件下很難實現(xiàn)活化和斷裂。
目前,轉(zhuǎn)化聚乙烯的主要策略是在高反應(yīng)溫度(400℃以上)、貴金屬催化劑和外加氫源條件下實現(xiàn),嚴(yán)格的反應(yīng)條件限制了工業(yè)化回收聚乙烯的應(yīng)用。
基于催化轉(zhuǎn)化聚乙烯面臨的問題,研究人員利用四丁基氫氧化銨(C16H37NO)作結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑,采用“一步水熱反應(yīng)”合成具有層狀自支撐結(jié)構(gòu)(LSP)的分子篩進行聚乙烯的催化轉(zhuǎn)化。
其中,結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑在晶體合成或生長過程中,通過在化學(xué)反應(yīng)中加入特定的配體或添加劑,引導(dǎo)分子組裝形成高度結(jié)晶化的有序結(jié)構(gòu),具有理想的物理和化學(xué)性質(zhì)。層狀自支撐結(jié)構(gòu)(LSP)由陽離子與陰離子通過離子鍵結(jié)合形成,具有足夠的強度和穩(wěn)定性,無須額外支撐就可獨立存在。
介孔孔道介于微孔和大孔,孔徑大小在2-50Nm之間,具有高度有序的結(jié)構(gòu)和豐富的表面活性,對催化劑性能有著重要作用。層狀自支撐分子篩具有更大的比表面積和豐富的介孔孔道,在催化反應(yīng)中能使反應(yīng)物充分接觸催化劑,提高反應(yīng)速率。
與傳統(tǒng)分子篩材料相比,它具有獨特的自支撐結(jié)構(gòu)和更多的強路易斯酸位點。路易斯酸位點是一種化學(xué)物質(zhì),能夠接受電子對特定位置(或區(qū)域),通過吸附和活化反應(yīng)物實現(xiàn)催化作用。分子篩中的強路易斯酸位點和其具備的形狀選擇性,在催化聚乙烯轉(zhuǎn)化時能夠發(fā)揮關(guān)鍵作用,因此,該層狀自支撐分子篩能更好的催化轉(zhuǎn)化聚乙烯。
催化劑的表征(a.高分辨透射電鏡圖;b.X射線衍射圖;c.氮氣吸脫附等溫圖;d,e.核磁表征結(jié)果;f,g.紅外表征結(jié)果)。圖片來源:參考文獻[1]
汽油主要由 C4-C12 范圍的碳氫化合物組成,是烷烴、烯烴和環(huán)烷烴混合物。辛烷值是衡量汽油在氣缸內(nèi)抗爆震能力的數(shù)字指標(biāo),通常用于評價車用汽油的性能,即汽油品質(zhì)的高低。
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實驗結(jié)果表明,該研究制備的層狀自支撐結(jié)構(gòu)分子篩(LSP-Z100)在 240℃溫度、無外加氫源的條件下,經(jīng)過4個小時就能實現(xiàn)從高密度聚乙烯到汽油的轉(zhuǎn)化,產(chǎn)率高達80%。通過檢測其液相產(chǎn)物,C4-C12 組分占比高達99%,支鏈烷烴占比72%,具有較高辛烷值(88.0),可媲美商業(yè)汽油辛烷值(86.6)。
以上結(jié)果表明,層狀自支撐結(jié)構(gòu)分子篩(LSP-Z100)具備能將聚乙烯催化轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)汽油的可行性。該研究為解決廢棄聚乙烯塑料的環(huán)境污染問題,以及如何有效實現(xiàn)資源利用提供了新的思考路徑。
高密度聚乙烯在不同催化劑條件下的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物收率。圖片來源:參考文獻[1]
當(dāng)我們在思考廢棄塑料對環(huán)境造成的污染時,從自身點滴做起,就是環(huán)保貢獻的開始。
減少使用日常生活中不必要的塑料制品(比如一次性吸管、塑料袋和餐具),促進社會環(huán)保意識的提升。垃圾分類也是關(guān)鍵一環(huán),將可回收塑料與其他垃圾分類處理,降低聚乙烯進入自然環(huán)境的機會,促進各類資源的循環(huán)利用。生態(tài)文明,人盡其責(zé)。
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參考文獻
[1] Cen, Z., Han, X., Lin, L. et al. Upcycling of polyethylene to gasoline through a self-supplied hydrogen strategy in a layered self-pillared zeolite[J]. Nature Chemistry, 2024.
[2] 謝煜斐,王琪,曾軍民,等.廢棄聚乙烯塑料回收再生應(yīng)用的研究進展[J].塑料科技, 2022.
[3] 張金慶,郭明,張遠文,等.廢聚乙烯塑料裂解制燃料的研究進展[J].石化技術(shù), 2022.
[4] Gautam K R .A Novel Process of Converting Polyethylene to Gasoline, Middle Distillate and Heavy Oil through Hydropyrolysis Route[J].International Journal of Energy Engineering, 2013.
策劃制作
出品丨科普中國
作者丨石暢 物理化學(xué)博士
監(jiān)制丨中國科普博覽
責(zé)編丨董娜娜
審校丨徐來 林林