科学家开发新型化学技术，能将废弃塑料转化为高价值的化学品
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麻省理工科技评论-科学家开发新型化学技术，能将废弃塑料转化为高价值的化学品
在我们的日常生活中，塑料几乎随处可见。比如，能安全接触食品或饮品的食品级塑料，用于工业产品制造的工业级塑料等。令人好奇的是，被使用之后的塑料都去哪了呢？
资料显示，目前全球范围内产生的所有塑料，只有不足 10% 能实现回收利用，其余的塑料都被焚烧、堆积在垃圾填埋场或散落到环境中 [1]。而可被回收的塑料大部分采用的方法是传统的机械回收法。
据了解，通过该方法能够回收的材料比较有限，主要是聚对苯二甲酸乙二醇酯（矿泉水瓶）和高密度聚乙烯（清洁剂瓶）。诸如柔性薄膜材料（塑料袋）、多层材料（食物包装）和彩色塑料，都无法被回收。大部分回收处理后制成的产品性能比初生塑料下降，价格相对较低。
在塑料垃圾与日俱增的当下，化学家们一直在不断地寻找更好的方法，使塑料可以转化为其他高价值产品的原材料。其中，热裂解、溶剂溶解和加氢断裂等以化学方法回收废塑料的新技术，得到了学术界和工业界的广泛关注。
我们无法用同一种技术去回收或者升级回收所有的塑料，考虑到经济，环境影响等因素，在不同的情况中不同的技术可以得到应用。热裂解正在被商业化，然而工业界尚且没有找到合适的的方法去处理热裂解油 [1]。
近期，来自美国威斯康星大学麦迪逊分校课题组，开发了一种新型化学回收技术，能够将废塑料转化为高价值的化学品。该技术采用热裂解和加氢甲酰化两种化学过程，不仅能够在真正地增加塑料的价值的同时减少碳排放，还为解决塑料回收的现实挑战开辟了更多可能性。
近日，相关论文以《将聚烯烃废料中的热解油加氢甲酰化为醛和醇》（Hydroformylation of pyrolysis oils to aldehydes and alcohols from polyolefin waste）为题在 Science 上发表 [2]。
威斯康星大学麦迪逊分校博士后研究员李厚谦为该论文的第一作者，威斯康星大学麦迪逊分校乔治·W·胡贝尔（George W. Huber）教授担任该论文的通讯作者。
如上所说，热裂解和加氢甲酰化，是该技术涉及的两种化学过程。其中，热裂解用来加热塑料，加氢甲酰化用于处理热裂解油。
“其实，除了热裂解，行业也会采用焚烧的方法处理塑料。两者的不同之处在于，前者是在没有氧气或氧气很少的情况下加热塑料，主要产生热裂解油可以进而产出高附加值高用量的化学品。后者是在氧气中燃烧塑料，主要产生二氧化碳和水。”李厚谦表示。
从经济效应和环境保护角度考虑，热裂解法是更优化的选择。据李厚谦介绍，现在有许多公司正在搭建相关工厂，以实现对每年上千吨塑料的处理 [1]。在此过程中，有大量热裂解油被制造出来。
到现在为止，蒸汽裂解是工业界处理热裂解油的主要方式。这里，需要说明的是，蒸汽裂解法存在两方面的局限性。首先是这种方法需要用到氢气产生乙烯或者丙烯进而制备初生塑料，但此途径制备烯烃的产率较低（<30%）。
其次是热裂解油中有很多烯烃，会在蒸汽裂解的反应器中聚合，使反应器无法正常运行，进而导致无法大量处理热裂解油 [1, 2]。
基于此，在该研究中，研究团队主要利用加氢甲酰化对热裂解油进行处理。具体来说，运用均相催化和非均相催化技术，他们先通过加氢甲酰化，把热裂解油中的烯烃转化为醛，再将这些醛还原为一元醇和二元醇，氧化为一元羧酸和二元羧酸，胺化为一元胺和二胺。
那么，该技术的优势主要体现在哪些方面呢？
第一，可以把塑料这种低价值产物，变成具有高附加值的化学品，比如表面剂、清洁剂等。“这些物品的价值都很高，并在全球具有很高的产量。如果用普通的方式进行生产，需要很繁琐的化学步骤。而我们这项技术大大简化了其中的工艺流程。”李厚谦说。
第二，该技术的成熟度相对而言比较高，能够实现规模化产出，以便更快地解决目前面临的废塑料挑战。
第三，利用该技术生产的高价值化学品，比用石油原料生产的化学品，在二氧化碳排放量上至少降低了 60%。并且，该技术可以实现良好的经济效益。
据了解，目前课题组已经在基于该技术，与相关的公司开展合作。此外，他们还计划更好地优化和完善这项技术，构建更多不同的化学品生产路线。
参考资料：
1.Li, H.,Aguirre-Villegas,H. et al. Expanding plastics recycling technologies: chemical aspects, technology status and challenges.Green Chemistry 24, 8899（2022）. DOI: 10.1039/d2gc02588d
2. Li, H., Wu, J., Jiang, Z. et al. Hydroformylation of pyrolysis oils to aldehydes and alcohols from polyolefin waste. Science 381,6658, 660-666（2023）. DOI: 10.1126/science.adh1853
https://engineering.wisc.edu/news/revolutionary-chemical-recycling-process-adds-big-value-to-junk-plastic-waste/?utm_campaign=coe_mkt&utm_medium=social&utm_source=linkedin_uwmadengr&utm_content=cbe
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