新工藝可透過讓塑膠袋和塑膠瓶氣化，製造新的回收塑料

一種新的化學工藝可以實際上使當今主導廢物流的塑料氣化，並將其轉化為新塑料的碳氫建構塊。

這一催化過程是由洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）和加州大學伯克利分校的研究人員開發的，能夠同樣有效地處理兩種主要的消費後塑料廢物：聚乙烯，這是大多數一次性塑料袋的成分；以及聚丙烯，這是一種用於硬質塑料的材料，從微波爐餐具到行李箱。該過程還能有效降解這些塑料類型的混合物。

如果這一過程規模化，將有助於實現許多一次性塑料的循環經濟，將塑料廢物轉換回製造聚合物所需的單體，從而減少製造新塑料所使用的化石燃料。80年代設計的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）透明塑料水瓶就是為了以這種方式回收而設計的。然而，與聚乙烯和聚丙烯塑料（統稱為聚烯烴）相比，聚酯塑料的總量微不足道。

“我們在日常物品中擁有大量的聚乙烯和聚丙烯，從午餐袋到洗衣皂瓶，甚至到牛奶壺——我們周圍的許多物品都是由這些聚烯烴製成的，”該研究的首席研究員、伯克利實驗室化學科學部的資深科學家及加州大學伯克利分校的化學教授約翰·哈特維格（John Hartwig）表示。“理論上，我們現在可以通過我們設計的化學反應，將這些物品轉化回起始單體，這些反應切分通常穩定的碳-碳鍵。通過這樣做，我們比任何人更接近於為聚乙烯和聚丙烯實現與水瓶中的聚酯相同的循環模式。”

哈特與研究生理查德·J·“RJ”·康克（Richard J. “RJ” Conk）、化學工程師亞歷克西斯·貝爾（Alexis Bell，伯克利實驗室化學科學部的資深科學家和加州大學伯克利分校研究生院的教授）及其同事們在《科學》期刊上發表了催化過程的詳細信息。

塑料的循環經濟

聚乙烯和聚丙烯塑料約占全球消費後塑料廢物的三分之二。約80%的塑料最終進入垃圾填埋場、被焚燒或直接被丟棄到街道上，經常最終成為溪流和海洋中的微塑料。其餘的則以低價塑料的形式回收，成為甲板材料、花盆和叉匙。

為了減少這種浪費，研究人員一直在尋找將塑料轉化為更有價值的物質的方法，比如轉變為單體，這些單體可以聚合製造新塑料。這將為塑料創造一個循環聚合物經濟，減少從石油中製造新塑料的需求，這會產生溫室氣體。

兩年前，哈特維格（Hartwig）和他的團隊提出了一種將聚乙烯塑料袋分解為單體丙烯（亦稱為丙烯烯，propene）的工藝，該單體可再利用來製造聚丙烯塑料。這一化學過程使用了三種不同的定製重金屬催化劑：一種用於在聚乙烯聚合物中增加碳-碳雙鍵，另外兩種則在這一雙鍵處斷開鏈，重複剪切掉一個碳原子，並與乙烯反應生成丙烯（C3H6）分子，直到聚合物完全消失。但這些催化劑溶解在液相反應中，壽命較短，難以以活性形式回收。

在新的過程中，昂貴的可溶性金屬催化劑被化學工業中常用的便宜固體催化劑所取代，這些催化劑用於連續流動過程中可以重用。連續流動過程可以擴大至處理大量材料。

康克（Conk）在與有機催化劑專家貝爾（Bell）諮詢後首次對這些催化劑進行了實驗。

康克合成了一種鋇鋁（鈉/鋁氧化物上的鈉）催化劑，發現其能有效打破各類聚烯烴聚合物鏈，並使鏈的末端留下具有活性碳-碳雙鍵的其中一個片段。第二種催化劑為氧化鈨/二氧化硅，將鏈末端的碳原子與乙烯氣體結合，乙烯氣體會不斷流入反應室以形成丙烯分子。這一過程被稱為烯烴元摩擦（olefin metathesis），留下了催化劑可以一次又一次訪問的雙鍵，直到整個鏈轉化為丙烯。

相同的反應也發生在聚丙烯中，形成丙烯和一種名為異丁烯（isobutylene）的碳氫化合物。異丁烯在化學工業中用來製造從美式足球到化妝品的聚合物，並用於製造高辛烷值汽油添加劑。

令人驚訝的是，氧化鈨催化劑在打破聚丙烯鏈方面的效果甚至比鈉催化劑更為有效。

“鈉的成本幾乎無法更低了，”哈特維格說。“而鈨是一種地球豐富的金屬，在化學工業中大規模使用，這與我們的鉑金屬催化劑相比，後者更為敏感且更昂貴。這種氧化鈨/二氧化硅和鋁氧化鈉的組合就像是將兩種不同類型的土壤混合在一起，使其能夠徹底分解整個聚合物鏈，從乙烯生成的丙烯產量更高，以及從聚丙烯生成的丙烯和異丁烯的混合物，的確比我們使用那些更複雜。”

如一串珍珠

這些新催化劑的一個關鍵優勢是，它們避免了去除氫以形成聚合物中可打破的碳-碳雙鍵，這是研究人員之前用於拆解聚乙烯的工藝中的一個特徵。這樣的雙鍵在聚合物中是阿基里斯之踵，因為聚酯或PET中的反應性碳-氧鍵使這種塑料更容易回收。聚乙烯和聚丙烯則沒有這種阿基里斯之踵——它們長鏈的單碳鍵結非常牢固。

“將聚烯烴聚合物想像成一串珍珠，”哈特維格（Hartwig）說。“末端的鎖防止它們掉落。但如果你在中間剪斷這根線，那麼你就可以一次移除一顆珍珠。”

這兩種催化劑一起將聚乙烯和聚丙烯的近似均勻混合物轉化為丙烯和異丁烯——在室溫下均為氣體——效率接近90%。僅聚乙烯或聚丙烯的產率甚至更高。

康克（Conk）向反應室中添加了塑料添加劑和不同類型的塑料，以查看污染物如何影響催化反應。這些雜質的小量幾乎不影響轉化效率，但少量的PET和聚氯乙烯（PVC）則顯著降低了效率。然而，這可能不是問題，因為回收方法已經按照塑料類型進行分離。

哈特維格指出，儘管許多研究人員希望從頭設計塑料，使其易於重用，但當今難以回收的塑料在未來幾十年將仍然是一個問題。

“有人可能會認為我們應該淘汰所有聚乙烯和聚丙烯，只使用新的循環材料。但是世界不會在幾十年內這樣做。聚烯烴便宜，性能良好，因此每個人都在使用它們，”哈特維格說。“人們說，如果我們能找到一種方法使它們變得循環，這將是大事，而這正是我們所做的。我們可以開始想像一家能做到這一點的商業工廠。”

該論文的其他合著者包括來自加州大學伯克利分校的研究生朱爾斯·斯塔勒（Jules Stahler）、傑克·施（Jake Shi）、娜塔莉·雷夫頓（Natalie Lefton）和約翰·布倫（John Brunn），以及來自伯克利實驗室的郞吉（Ji Yang）。施也與伯克利實驗室有關聯。

這項研究的部分內容在分子鑄造廠進行，這是伯克利實驗室的一個美國能源部科學辦公室的用戶設施。

這項研究得到了美國能源部科學辦公室的支持。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。