弗吉尼亞理工大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種新技術(shù)，可將塑料回收利用，制成有價(jià)值的化學(xué)物質(zhì)--表面活性劑，用于制造肥皂、洗滌劑等。塑料和肥皂在質(zhì)地、外觀以及最重要的使用方式方面往往沒(méi)有什么共同之處。但在分子水平上，兩者之間卻有著驚人的聯(lián)系： 聚乙烯是當(dāng)今世界上最常用的塑料之一，其化學(xué)結(jié)構(gòu)與用作肥皂化學(xué)前體的脂肪酸極為相似。這兩種材料都是由長(zhǎng)長(zhǎng)的碳鏈組成，但脂肪酸在碳鏈末端多了一個(gè)原子團(tuán)。

　　長(zhǎng)期以來(lái)，弗吉尼亞理工大學(xué)理學(xué)院化學(xué)副教授劉國(guó)良一直認(rèn)為，這種相似性意味著將聚乙烯轉(zhuǎn)化為脂肪酸是可能的，只需增加幾個(gè)步驟，就能生產(chǎn)出肥皂。目前的挑戰(zhàn)是如何將長(zhǎng)聚乙烯鏈分解成許多短鏈，但又不能太短，以及如何高效地完成這一過(guò)程。劉認(rèn)為，一種新的升級(jí)再造方法很有潛力，它可以將低價(jià)值的塑料廢物轉(zhuǎn)化為高價(jià)值的有用商品。

　　劉國(guó)梁在他位于南哈恩廳的實(shí)驗(yàn)室里拿著一個(gè)普通水壺。圖片來(lái)源：弗吉尼亞理工大學(xué) Steven Mackay 供圖。

　　在考慮這個(gè)問(wèn)題一段時(shí)間后，劉國(guó)梁在一個(gè)冬天的夜晚在壁爐旁享受爐火時(shí)突然有了靈感。他看著從火堆中升起的煙霧，想到煙霧是由木材燃燒時(shí)產(chǎn)生的微小顆粒組成的。

　　雖然出于安全和環(huán)保的考慮，塑料絕不能在壁爐中燃燒，但劉開(kāi)始思考，如果聚乙烯可以在安全的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中燃燒，會(huì)發(fā)生什么情況。聚乙烯的不完全燃燒是否會(huì)像木材燃燒一樣產(chǎn)生"煙霧"?如果有人能捕捉到這些煙霧，它又是由什么構(gòu)成的呢?

　　"木柴的主要成分是纖維素等聚合物。木柴燃燒時(shí)會(huì)將這些聚合物分解成短鏈，然后在完全氧化成二氧化碳之前變成小的氣態(tài)分子，"化學(xué)系布萊克伍德生命科學(xué)青年教師獎(jiǎng)學(xué)金獲得者劉說(shuō)。"如果我們同樣分解合成聚乙烯分子，但在它們完全分解成小氣態(tài)分子之前停止這一過(guò)程，那么我們就應(yīng)該得到類(lèi)似聚乙烯的短鏈分子。"

　　在劉博士實(shí)驗(yàn)室的兩名化學(xué)博士生徐震(音譯)和埃里克-穆尼亞內(nèi)扎(音譯)的幫助下，劉博士建造了一個(gè)類(lèi)似烤箱的小型反應(yīng)器，在這個(gè)反應(yīng)器中，他們可以通過(guò)一種叫做溫度梯度熱解的過(guò)程加熱聚乙烯。在底部，烤箱處于足以破壞聚合物鏈的高溫，而在頂部，烤箱被冷卻到足夠低的溫度，以阻止任何進(jìn)一步的破壞。熱解結(jié)束后，他們收集了殘留物--類(lèi)似于清理煙囪里的煙灰--發(fā)現(xiàn)劉的預(yù)感是正確的：殘留物由"短鏈聚乙烯"組成，更準(zhǔn)確地說(shuō)，是蠟。

　　在油浴中加熱裝有由廢棄聚乙烯和聚丙烯產(chǎn)生的蠟的燒瓶，蠟在氣流的作用下通過(guò)催化氧化生成脂肪酸。圖片來(lái)源：弗吉尼亞理工大學(xué) Steven Mackay 供圖。

　　這是開(kāi)發(fā)塑料肥皂升級(jí)再循環(huán)方法的第一步。在增加了皂化等幾個(gè)步驟后，研究小組用塑料制成了世界上第一塊肥皂。為了繼續(xù)推進(jìn)這一過(guò)程，該團(tuán)隊(duì)尋求了計(jì)算建模、經(jīng)濟(jì)分析等方面專(zhuān)家的幫助。

　　通過(guò)與弗吉尼亞理工大學(xué)大分子創(chuàng)新研究所的聯(lián)系，團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)了其中一些專(zhuān)家。他們一起記錄并完善了升級(jí)再循環(huán)過(guò)程，直到可以與科學(xué)界分享為止。這項(xiàng)工作最近發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

　　"我們的研究展示了一條無(wú)需使用新型催化劑或復(fù)雜程序的塑料升級(jí)再循環(huán)新途徑。在這項(xiàng)工作中，我們展示了串聯(lián)策略在塑料回收方面的潛力，"論文第一作者徐說(shuō)。"這將啟迪人們?cè)谖磥?lái)開(kāi)發(fā)出更具創(chuàng)造性的升級(jí)再循環(huán)程序設(shè)計(jì)"。

　　雖然聚乙烯是啟發(fā)這個(gè)項(xiàng)目的塑料，但這種升級(jí)再造方法也可以用于另一種塑料，即聚丙烯。從產(chǎn)品包裝、食品容器到織物，這兩種材料構(gòu)成了消費(fèi)者每天接觸到的大部分塑料。劉國(guó)梁的新升級(jí)再造方法的一個(gè)令人興奮的特點(diǎn)是，它可以同時(shí)用于這兩種塑料，這意味著無(wú)需將這兩種塑料分開(kāi)。與目前使用的一些回收方法相比，這是一個(gè)重大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楹笳咝枰獙?duì)塑料進(jìn)行仔細(xì)分類(lèi)，以避免污染。由于這兩種塑料非常相似，因此分類(lèi)過(guò)程相當(dāng)困難。

　　(左起)Eric Munyaneza 和 劉國(guó)梁在南哈恩廳的實(shí)驗(yàn)室里準(zhǔn)備將塑料材料升級(jí)再造為脂肪酸液體。Munyaneza也是《科學(xué)》雜志研究報(bào)告的作者之一。圖片來(lái)源：弗吉尼亞理工大學(xué) Steven Mackay 供圖。

　　升級(jí)再循環(huán)技術(shù)的另一個(gè)好處是它的要求非常簡(jiǎn)單：塑料和熱量。雖然該工藝的后期步驟需要一些額外成分將蠟分子轉(zhuǎn)化為脂肪酸和肥皂，但塑料的初始轉(zhuǎn)化是一個(gè)直接的反應(yīng)。因此，這種方法不僅成本效益高，而且對(duì)環(huán)境的影響相對(duì)較小。

　　要想使升級(jí)再造大規(guī)模有效，最終產(chǎn)品必須有足夠的價(jià)值來(lái)彌補(bǔ)工藝成本，使其在經(jīng)濟(jì)上比其他回收方案更具吸引力。

　　雖然肥皂最初看起來(lái)并不像一種特別昂貴的商品，但按重量比較，肥皂的價(jià)值實(shí)際上是塑料的兩倍或三倍。目前，肥皂和洗滌劑的平均價(jià)格約為每公噸 3550 美元，而聚乙烯的價(jià)格約為每公噸 1150 美元。此外，肥皂和相關(guān)產(chǎn)品的需求量與塑料的需求量相當(dāng)。

　　劉說(shuō)，這項(xiàng)研究為通過(guò)將廢舊塑料用于生產(chǎn)其他有用材料來(lái)減少?gòu)U物的新方法奠定了基礎(chǔ)。隨著時(shí)間的推移，他希望世界各地的回收設(shè)施都能開(kāi)始采用這種技術(shù)。屆時(shí)，消費(fèi)者將有機(jī)會(huì)購(gòu)買(mǎi)到革命性的可持續(xù)肥皂產(chǎn)品，從而減少垃圾填埋場(chǎng)中的塑料垃圾。出于這個(gè)原因，將塑料轉(zhuǎn)化為肥皂在經(jīng)濟(jì)上是可行的，他同時(shí)也是納米科學(xué)項(xiàng)目的一名附屬教師，該項(xiàng)目隸屬于理學(xué)院的綜合科學(xué)院以及弗吉尼亞理工大學(xué)工程學(xué)院的材料科學(xué)與工程系。

　　"應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，塑料污染是一個(gè)全球性挑戰(zhàn)，而不是幾個(gè)主流國(guó)家的問(wèn)題。與復(fù)雜的工藝和復(fù)雜的催化劑或試劑相比，簡(jiǎn)單的工藝可能更容易為世界上許多其他國(guó)家所接受，"徐說(shuō)。"我希望這能成為抗擊塑料污染戰(zhàn)爭(zhēng)的一個(gè)良好開(kāi)端。