清華大學(xué)和北京化工大學(xué)研究團隊報告了一種升級回收PET塑料新方法：該方法能變廢為寶，具有經(jīng)濟可行性，有助于管理塑料污染。
PET的化學(xué)全稱為聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)，具有質(zhì)量輕、強度高、耐水等特性，常用于制作飲料瓶、衣物、地毯等。每年約生產(chǎn)7000萬噸PET塑料用于包裝和紡織品，其中只有一小部分(<20%)得到回收。
研究人員提供了一種可持續(xù)新方案：使用儲量豐富的金屬基催化劑，將PET塑料轉(zhuǎn)化為價值更高的化學(xué)材料二甲酸鉀——一種新興且安全的動物生長促進劑，以及清潔能源氫氣。
此研究于當(dāng)?shù)貢r間8月17日發(fā)布在國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》上，論文標(biāo)題為《Electrocatalytic upcycling of polyethylene terephthalate to commodity chemicals and H2 fuel》(將PET電催化升級為商品化學(xué)品和氫氣燃料)，論文通訊作者為清華大學(xué)化學(xué)系副教授段昊泓。
20世紀(jì)50年代初以來，人們生產(chǎn)的塑料已超過80億噸，其中79%的塑料被丟棄、堆積在垃圾填埋場或水體中，對環(huán)境和生物造成嚴(yán)重威脅。塑料回收對節(jié)約不可再生資源有重要意義，同時能夠減少二氧化碳排放。
傳統(tǒng)的塑料回收策略(如機械方法)成功率有限，回收率低于10%。而且與原始塑料相比，再生材料的性能較差，這通常叫做“降級回收”。
化學(xué)回收方法則通過將塑料廢棄物催化轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量單體或升級為增值產(chǎn)品，從而獲得更多價值。化學(xué)回收方法主要取決于催化劑效率、過程的可持續(xù)性和盈利能力。
“實際上，塑料的閉環(huán)回收在反應(yīng)上不是難點，其瓶頸在于整個工藝的經(jīng)濟可行性。塑料化學(xué)回收主要包含三個過程：一、原料收集和預(yù)處理;二、催化轉(zhuǎn)化;三、產(chǎn)物分離。”其中，過程一和三是成本和能耗的主要所在，而催化劑的貢獻主要在過程二中。段昊泓表示，“我們認(rèn)為塑料回收的關(guān)鍵不只取決于催化劑，在增加產(chǎn)物價值、工藝優(yōu)化、政策調(diào)控等各方面都至關(guān)重要。”
論文稱，電催化可由可再生能源(太陽能、風(fēng)能和水力發(fā)電)提供動力，這是一種可持續(xù)且有吸引力的方式，可在溫和條件下從陰極的水和陽極的有機化合物中產(chǎn)生清潔的氫氣。
電催化已經(jīng)在各種有機化合物的高效轉(zhuǎn)化上取得很大進展。不過，將PET廢棄物電催化轉(zhuǎn)化為有價值的產(chǎn)品在很大程度上未得到探索。
“我們在這項工作中提出了電催化廢棄PET塑料升級再造的新策略，驗證了由廢棄PET制備高附加值的對苯二甲酸、二甲酸鉀和氫氣反應(yīng)的可行性。通過工藝的整合以及產(chǎn)物價值的提高，使得該電催化PET升級再造策略具有潛在經(jīng)濟可行性。”段昊泓對澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者介紹道。
此項研究中，研究者展示了一種電催化策略，在氫氧化鉀電解質(zhì)溶液中使用雙功能CoNi0.25P電催化劑，將PET轉(zhuǎn)化為具有高附加值的二甲酸鉀和對苯二甲酸的商品化學(xué)品，并產(chǎn)生副產(chǎn)物——氫氣。
具體而言：PET在堿性溶液中電解得到包括對苯二甲酸和乙二醇在內(nèi)的單體，乙二醇在電解槽中通過陽極CoNi0.25P催化氧化以>90%的選擇性通過進行C-C鍵裂生成甲酸鹽，同時在陰極同一催化劑上產(chǎn)生氫氣。隨后，甲酸用作PET電解質(zhì)的酸化劑，用于對苯二甲酸沉淀和過濾再生，所得液流通過濃縮和結(jié)晶轉(zhuǎn)化為固體二甲酸鉀。
從催化劑的角度來看，地球鎳基和鈷基催化劑儲量豐富，它們達成了PET的高效升級回收和高產(chǎn)物選擇性，使得產(chǎn)物容易分離。
“在反應(yīng)產(chǎn)物中，二甲酸鉀具有生物活性，能抑制大腸桿菌，沙門氏菌等有害微生物的繁殖，促進動物生長，是一種理想的非抗生素類飼料添加劑，可替代抗生素促生長劑，已于2001年由歐盟批準(zhǔn)使用。隨著我國采取立法手段禁用飼料添加抗生素，二甲酸鉀在國內(nèi)具有廣闊成長空間。”段昊泓表示。
研究者評估了這一過程的經(jīng)濟可行性：在商業(yè)通用電流密度 (>300 mA cm?2) 下，1噸廢舊 PET 的升級回收凈收入約為 350 美元。
就技術(shù)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，段昊泓說，每一項科學(xué)技術(shù)從誕生到最終實現(xiàn)工業(yè)化都是一條漫長的過程。
“我們認(rèn)為這項技術(shù)從實驗室規(guī)模邁向工業(yè)規(guī)模的關(guān)鍵之一在于流動反應(yīng)器的設(shè)計和優(yōu)化。目前我們正在開發(fā)的新型無膜電堆，具有成本低，可規(guī)模化等優(yōu)點，已經(jīng)取得一些進展，研究工作待發(fā)表。”段昊泓說，“我們希望通過不斷地優(yōu)化催化劑、反應(yīng)器、操作條件等，最終實現(xiàn)廢棄資源轉(zhuǎn)化的工業(yè)應(yīng)用。”
此項研究工作可能為從塑料廢物中制備增值商品化學(xué)品和清潔氫氣燃料的盈利性和可持續(xù)發(fā)展開辟一條途徑。
關(guān)于PET 升級回收的下一步研究，段昊泓表示，“我們下一步將開發(fā)更高效的反應(yīng)器用于規(guī)模化的PET升級回收，開展低成本塑料單體回收工藝，發(fā)展PET轉(zhuǎn)化為其他高附加值產(chǎn)品新路徑，同時挑戰(zhàn)更有難度的聚乙烯等塑料的催化轉(zhuǎn)化。”
