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将聚乙烯袋塑料转化为聚合物构件的工艺

聚乙烯塑料-特别是无处不在的塑料袋,破坏了景观-是出了名的难以回收。它们坚固且难以分解,如果它们被回收利用,它们就会融化成聚合物炖菜,主要用于装饰和其他低价值产品。

但是,加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)开发的一个新过程可能会改变这一切。该工艺使用催化剂将长聚乙烯(PE)聚合物破碎成均匀的大块-三碳分子丙烯-这是制造其他类型的高价值塑料(如聚丙烯)的原料。

诚然,在开发的早期阶段,这一过程将把一种废弃产品——不仅是塑料袋和包装,还有所有类型的PE塑料瓶——变成一种需求量很大的主要产品。以前打破聚乙烯链的方法需要高温,并且使混合物的需求要低得多。新工艺不仅可以降低对化石燃料生产丙烯(通常称为丙烯)的需求,而且还有助于满足塑料行业目前对更多丙烯的未满足需求。

“在回收利用的范围内,许多聚乙烯塑料被变成低级材料。你不能拿一个塑料袋,然后从中制造出另一个具有相同性质的塑料袋,“加州大学伯克利分校有机化学亨利拉波波特主席约翰哈特维格说。“但是,如果你能把聚合物袋带回它的单体,把它分解成小块并重新聚合,那么你就不会把它从地下拉出更多的碳,而是用它作为你的碳源来制造其他东西——例如聚丙烯。我们将为此目的或丙烯的其他用途使用更少的页岩气,并填补所谓的丙烯缺口。

聚乙烯塑料约占全球整个塑料市场的三分之一,每年从化石燃料中生产超过1亿吨,包括通过水力压裂获得的天然气,通常称为页岩气。

尽管有回收计划-可回收的PE产品被指定为塑料编号2和4-但所有聚乙烯塑料产品中只有约14%被回收利用。由于其稳定性,聚乙烯聚合物很难分解成其组成部分或解聚,因此大多数回收涉及将其熔化并将其模塑成其他产品,如庭院家具,或将其作为燃料燃烧。

将聚乙烯解聚并转化为丙烯是一种升级再造的方法,即从基本上零价值的废物中生产更高价值的产品,同时减少化石燃料的使用。

Hartwig和他的同事们将于本周在《科学》杂志上发表他们新的催化过程的细节。

两种类型的催化剂

Hartwig专门使用金属催化剂将不寻常的反应性键插入碳氢化合物链中,其中大部分是石油基的。然后可以在这些反应键上添加新的化学基团以形成新材料。烃类聚乙烯通常以大约1000个乙烯分子的聚合物链形式出现-每个乙烯由两个碳原子和四个氢原子组成-为他的团队提供了一个挑战,因为它通常不具有反应性。

在美国能源部的资助下,哈特维格和研究生史蒂文·汉纳和理查德·“RJ”Conk提出了用催化剂(最初是铱催化剂,后来是铂锡和铂锌催化剂)打破聚乙烯上的两个碳氢键的想法,以产生活性碳碳双键。,这将作为阿喀琉斯之踵。随着聚合物的碳氢键铠装中的这种裂缝,他们可以通过与乙烯和两个协同反应的附加催化剂反应来解开聚合物链。

“我们采用饱和碳氢化合物-所有碳-碳单键-并从聚合物中除去一些氢分子以形成碳-碳双键,其比碳-碳单键更具反应性。有些人看过这个过程,但没有人在真正的聚合物上实现它,“Hartwig说。“一旦你有了碳-碳双键,那么你就使用一种叫做烯烃复分解的反应,这是2005年诺贝尔奖的主题,用乙烯在碳-碳双键处切割。现在,你已经把这种长链聚合物,你把它分成了更小的碎片,最后含有碳-碳双键。

添加由钯制成的第二种催化剂,使丙烯分子(三碳分子)能够反复从反应端夹上。结果:80%的聚乙烯被还原成丙烯。

“一旦我们有一个长链,末端有一个碳-碳双键,我们的催化剂就会采取碳-碳双键并异构化它,一个碳。乙烯与初始异构化产物反应,制成丙烯和几乎完全相同,只是更短的聚合物,末端具有双键。然后它一次又一次地做同样的事情。它走了一步,劈开;走进去,劈开;走进去并切割,直到整个聚合物被切割成三碳片。从链条的一端,它只是咀嚼链条并吐出丙烯,直到没有链条为止。

反应在具有可溶性或“均相”催化剂的液体溶液中进行。研究人员目前正在研究一种使用非可溶性或“非均相”催化剂的工艺,以达到相同的结果,因为固体催化剂可以更容易地重复使用。

该小组证明,该过程适用于各种PE塑料,包括半透明牛奶瓶,不透明的洗发水瓶,PE包装以及连接铝罐四件装的硬黑色塑料顶部。所有这些都被有效地还原为丙烯,只需要去除着色剂。

Hartwig的实验室最近还使用创新的催化技术创造了一种将聚乙烯袋转化为粘合剂的工艺,这是另一种有价值的产品。总之,这些新工艺可能会对最终进入垃圾填埋场,河流以及最终进入海洋的扩散塑料堆产生影响。

“两者都远未商业化,”他说。“但很容易看出这种新工艺如何将最大量的塑料废物转化为巨大的化学原料-当然,还有很长的发展。

该论文的其他合著者是杰克·史,NicodemoCiccia,梁琦,布兰登·布卢默,斯蒂芬·赫维尔,泰勒·威尔斯和加州大学伯克利分校的化学和生物分子工程教授亚历克西斯·贝尔和伯克利实验室的研究科学家吉苏。

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