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“魔法”!将废塑料转化为高质量润滑油

2019-10-29 08:57:18来源:高分子科学前沿 阅读量:14137

  【塑料的问题】
 
  全球每年生产3.8亿吨塑料。随着塑料市场的持续增长,许多分析人士预测,到2050年,塑料产量可能会翻两番。超过75%的塑料材料在一次使用后被丢弃。它们中的许多最终进入我们的海洋和水道,伤害野生动物并传播毒素。
 
  虽然塑料可以熔化和再加工,但这种回收产生的价值较低的材料在结构强度上不如原始材料。例如,将塑料瓶向下循环放入一个模压的公园长凳。
 
  当塑料被丢弃在野外或垃圾填埋场时,它们不会降解,因为它们有很强的碳-碳键。相反,它们会分解成更小的塑料,即微塑料。尽管有些人认为这种紧密的联系是一个问题,但西北大学、阿贡国家实验室和艾姆斯实验室团队却把这看作是一个机会。
 
  【成果简介】
 
  近日,来自西北大学、阿贡国家实验室和埃姆斯实验室的研究团队,已经开发出一种新方法,可以将大量看似低价值的塑料升级为高质量的液体产品,比如机油、润滑油、洗涤剂甚至化妆品。这一发现还改进了现有的回收方法,从而生产出廉价、低质量的塑料产品。该研究成果以题为“Upcycling Single-Use Polyethylene into High-Quality Liquid Products”的论文发表在国际顶级期刊ACS Central Science上(见文后原文链接)。
 
  在本研究中,高能量聚乙烯(PE)大分子通过原子层沉积在SrTiO3钙钛矿纳米晶上的分散良好的Pt纳米颗粒(NPs)催化氢化反应转化为增值产品。该催化剂由两纳米大小的铂纳米颗粒组成,沉积在大约50-60纳米大小的钙钛矿纳米晶上。该团队选择钙钛矿是因为它在高温高压下很稳定,是一种非常好的能量转换材料。为了将纳米颗粒沉积在纳米管上,研究小组使用了原子层沉积技术,这种技术是在Argonne开发的,可以精确控制纳米颗粒。

  图1 铂纳米粒子分布在钙钛矿纳米管上的电子显微照片
 
  在适当的压力和温度下,催化剂裂解塑料的碳碳键,产生高质量的液态碳氢化合物。在170 psi H2和300℃在无溶剂条件下反应时间96 h,Pt/SrTiO3完全转换PE (Mn = 8000-158000 Da)或一次性塑料袋(Mn = 31000 Da)到高质量的液体产品,如润滑剂和蜡,以窄分布低聚物的链。

  图2 铂纳米颗粒/钙钛矿纳米长石的催化剂将废弃塑料转化为更高价值的产品

  图3 聚乙烯氢解制备优质液体产品
 
  固体核磁共振13C富集PE吸附研究和密度泛函理论计算表明,PE在Pt上的吸附比在SrTiO3载体上的吸附更为有利。较小的Pt NPs与较高浓度的未配位Pt位点,将PE过氢水解成不需要的轻烃。
 
 
  图3 固体核磁共振13C富集PE吸附研究和密度泛函理论计算
 
  【亮点小结】
 
  本文开发的催化法这项新技术,在生产过程中产生的废物少得多,并且液体产物可用于机油、润滑油或蜡,或进一步加工制成洗涤剂和化妆品的成分。这与市面上可买到的催化剂形成了对比,后者生成的产品质量较低,而许多是短烃,这限制了产品的用途。本文的方法既可通过消除环境中的塑料污染又可促进循环经济,起到了一举两得的作用。
 
  西北大学的Kenneth R. Poeppelmeier参与了这项研究,他说:“我们的团队很高兴发现这项新技术,它将帮助我们解决塑料垃圾堆积的问题。”“我们的发现对未来的发展有广泛的影响,我们可以继续受益于塑料材料,但要以一种可持续的、对环境和人类健康危害更小的方式。”
 

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