化学回收、细菌分解,十八般武艺齐上阵,能解决塑料难题吗?

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前 言

有害塑料污染的急剧增加,促使世界各地的科学家和创新者们开发出多种独创性的方法来重复利用、回收和循环使用塑料。但是,正如安娜·德明(Anna Demming所揭示的那样,重大挑战依然存在。


撰文 | 安娜·德明

翻译 | 祝叶华

校译 | 夏志坚 

 
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“我在实验室呆了这么多天,发现了许多有趣的东西。” 1907年6月,比利时裔美国化学家莱昂·贝克兰(Leon Baekeland)在日记中如此写道。

四天来,他一直在试验苯酚和浸润在木板中的甲醛之间的缩合反应。“我申请了一种物质的专利,并将之称为胶木。” 胶木是第一种由合成材料制成的塑料,它将成为一场材料革命的开端。

不可否认,塑料是一种神奇的材料,它是由许多部分组成的长分子链聚合物。碳主链是主要组成单元,链上含有大量功能不同的原子和分支基团,从简单的卤素原子到芳香环和含氧酯链。

塑料可硬可弯,易于熔化和重塑,而且是地球上最便宜、最耐用的材料之一。但这也是问题的所在。塑料引发了一次性商品消费的革命,而这些一次性商品可能会持续存在几十年甚至几个世纪。尽管公众现在对塑料污染的担忧越来越强烈,但要将这种情绪转化为积极的行动可能并不容易。

来自 “创新英国”(Innovate UK)的化学家莎莉·贝肯(Sally Beken)是寻求解决塑料污染方案的人士之一。她是英国循环塑料网络(UK Circular Plastics Network)的负责人,该网络旨在通过将塑料使用者聚集在一起来减少塑料垃圾。对她和许多从事塑料垃圾问题的人来说,问题不在于塑料本身,而在于我们对塑料垃圾的不良管理。令人欣慰的是,随着物理技术的发展,塑料的回收、再利用和循环利用正变得越来越容易。但是,尽管目前已经取得了一定的进展,最大的挑战可能还没有到来。
 
NO.1
分类塑料问题

为了最大限度地减少塑料产品的碳足迹,理想状态下你最好多次重复使用它。问题是,为了某些物品足够坚固,以达到重复使用的目的,会用到一些额外的塑料,但这些物品再利用的次数可能并没有那么多。例如,一个特百惠外卖盒需要使用200次,才能比无法回收的发泡聚苯乙烯容器留下更低的环境足迹。有时某些塑料产品甚至不可重复使用——例如,破裂的塑料盆会变得无法再重复使用。这也是为什么许多人正在寻找更可持续地处理塑料的方法的原因,他们努力为这些材料开发出更有效的循环经济,而不是简单地延长每种产品的使用寿命。

回收塑料之所以比回收纸板更复杂,原因在于塑料种类的激增,而每种塑料处理的方法都不相同。贝肯说:“对于食品包装,不需要使用所有类型的塑料,有三种就可满足需求。”而且,如果我们只使用较少类型的塑料,这些类型的塑料的数量就会增加,循环利用会更加经济。

但是,如果不能限制塑料种类的数量,为什么不去寻找更聪明的分类方法?2017年,仅在英国就有超过200万吨的塑料被用作包装材料,许多回收站仍然要求人们用肉眼和手工来分离塑料。显然还有更好的方法。

在这方面走在前列的是法国回收公司Paprec,该公司目前有210个回收站,每年处理约1200万吨垃圾。该公司仍旧雇佣操作员按颜色对一些塑料进行分类,并手动从工业塑料废料中去除铆钉、螺丝等东西,但大部分分类工作已经实现自动化。然而,分类的方法也取决于塑料的类型。以聚氯乙烯(PVC和聚对苯二甲酸乙二醇酯PET为例,基于这两种塑料的光学特性,对它们已经完全实现自动化分类。在喷气嘴把不同类型的垃圾吹起来对其进行分选,以进行不同的处理或最终填埋之前,摄像机会分析这些垃圾的光谱信息。在许多回收装置中,这种光学分选是最主要的自动化分类方法,但当处理深色塑料时,这种技术常常会遇到困难。这是因为传统的自动化分类技术使用的是近红外辐射,而较深色的材料反射出来的光线不足以实现不同类型的区分。

虽然目前市售的设备有更宽的频谱,可以进行黑色塑料分类,但也可以利用塑料的其他性质进行分类。例如,Paprec 还使用 “浮选分类”即根据物料是漂浮还是下沉进行区分。该技术巧妙地将分类与回收过程的漂洗阶段结合起来,但问题是材料需要具有至少0.2g·cm-3的密度差。不幸的是,该方法对于聚乙烯(PE,通常用于包装和塑料袋)和聚丙烯(PP,用于包装和标签)并不适用。另一种密度分选方法是从一个振动的倾斜板上吸掉较轻的塑料,太重无法吸住的塑料则会被转移到其他地方。这需要至少0.2g·cm-3的密度差,因此也不能分离PE和PP。实际上,这两种聚合物特别成问题,因为它们经常混合在材料中,这使得分离它们变得更加困难。

另一种选择是 “摩擦电分类”。通过摩擦使塑料表面带上电荷,根据电荷性质(正电或负电),使用带电电极来吸引和排斥不同类型的塑料。摩擦电分类对相当多的塑料有效,包括PET饮料瓶、工程热塑性塑料、电子和电缆废料中的塑料、PVC窗户型材甚至塑料生产废料。不幸的是,干塑料垃圾才能进行摩擦电分类,而塑料回收的多个阶段是潮湿的或涉及清洗。
 
NO.2
“一个垃圾箱搞定所有”

尽管这些分类方法可能很巧妙且具有独创性,混合的塑料废料仍然需要大量分类处理工序才能将其全部分离。而且,由于并非所有的回收站都有这些技术,因此现实是有很多可回收的塑料最终被填埋了。英国布鲁内尔大学(Brunel University London)沃尔夫森材料加工中心(Wolfson Centre for Materials Processing)的研究人员设计了一种荧光标记系统作为替代方案,这种方法不仅可以对所有塑料进行光学分类,还可以根据用途进行区分,例如分离食品容器与杀虫剂容器。

这项技术被称为 PRISM (使用智能材料分离技术进行塑料包装回收,它涉及到使用一种含有磷光体—— 类似于用于条形照明的发光分子—— 的染料在塑料上编码。磷光体会发射紫外线(UV),因此编码仅对在该频率下运行的检测器可见。你所需要做的就是在光学分类器上安装一个紫外线检测器,并说服塑料制造商标记它们的产品。PRISM的第一次全面试验是由致力于回收创新的挪威公司TOMRA完成的。2017年,该公司宣称,这一技术可以收集98%的标记塑料,准确率为95%。

荧光标记方法有很多拥护者,但是标记系统的基础是什么呢? 传统上,分类主要是根据聚合物的碳主链或重复组成聚合物链的单体单元来区分塑料。不过,由于许多塑料的功能性在不断变化,这种方法也就存在不足之处。例如,牛奶瓶和洗衣液瓶通常都是由高密度聚乙烯(HDPE制成的,但是前者在装满热水时容易软化,而后者则更坚固。塑料的性质还受到添加剂的类型和数量、分子量(平均每个塑料分子由多少个重复单元组成、再生成分的百分比以及再生成分来源的影响。因此,用奶瓶塑料制成的洗衣液瓶将不会有预期的弯曲强度。

曼彻斯特大学的聚合物科学家迈克尔·谢弗(Michael Shaver)说:“仅通过单一的方法是不能解决塑料问题的。”谢弗是英国研究与创新(UKRI)项目 “RE3——重新思考资源和回收利用” 的负责人。RE3与来自整个供应链的25个利益相关者联合起来,投资了一项谢弗运行的名为 “一个垃圾箱搞定所有”(One bin to rule them all)的项目,该项目正在寻求更好的回收基础设施,以便即使将所有塑料垃圾放在一个垃圾箱里,也能够做到分类、回收和估价。对谢弗来说,我们需要的是一个基于塑料的实际价值——回收塑料的性质和潜在用途——来分类的系统或标记方式,而不是基于骨架的化学性质。
 
NO.3
重 塑

回收塑料最简单的方法是物理性地压制和重塑产品,而不显著影响所涉及的聚合物的化学性质。塑料被研磨成小块,形成颗粒,像谷物一样被倒入旋转的 “螺杆” 中,该螺杆输送、熔化并压制塑料,从而使其以液态形式浇铸在模具周围,在模具中再次固化成所需产品的形状。在欧洲,99%的回收塑料都是以这种方式处理的。

饮料瓶是物理回收的一个成功案例,现在大多数制造商使用相同的PET材料,这使得它们更容易分类和回收。实际上,包装生产商的自愿承诺以及《欧盟一次性塑料指令》(EU Single Use Plastics Directives)的规定增加了回收PET的需求。 “你都没有办法获得足够的PET” ,贝肯说,他指出,英国一直在从比利时进口回收的PET,因为英国本国的PET量无法满足需求。
 
塑料瓶几乎都是由相同的PET材料制成,易于分类。(图片来源:Paprec)
 
但是即使是PET回收,也存在差异。塑料瓶很容易回收,它们可以被压制成高质量的回收产品,但用于肉类或即食食品的塑料托盘的分类再加工生产线却很少,且每吨处理成本更高。此外,塑料托盘通常内衬不同的材料。当它们被压制时,同类型的材料开始聚集—— 与其他类型的材料“相分离(phase separate)” ——因此塑料不再是均质的,这会导致产生低质量的回收产品。这也就意味着,那些原本是潜在的可回收材料最终可能会被扔进垃圾填埋场。

“物理回收的关键在于一致性。” 谢弗说,他认为,目前循环塑料经济的努力受到回收质量完全缺乏标准的阻碍。“立法是大事。”
 
NO.4
招募化学家

反复物理回收对塑料性质的影响是热点研究领域之一。当塑料被压制并重塑时,不可避免地会出现一些磨损——例如聚合物长度的减少或杂质的引入——这将限制相同聚合物循环利用的次数。例如,谢弗的团队正试图通过压制塑料来了解物理回收过程中发生的化学过程,以便利用化学知识来抑制塑料的退化。

化学也为回收利用提供了替代方法,尽管这会在废物及其再生之间带来更多的循环流程。办法包括将聚合物分解成单体单元,然后单体单元可以进行一些原始的聚合反应,再次生产高质量的产品。或者,聚合物可以分解成低聚物——含有多个单体单元的短链——因此保留了生产塑料的一些原始工作。这样的化学方法在纺织业发挥了至关重要的作用,因为在纺织业中,纤维会将塑料与物理加工不易分离的其他材料结合在一起。
 

粉碎机。大多数塑料回收是从粉碎或研磨成小块开始的。(图片来源: iStock/Викентий Елизаров)

 
化学处理也可以帮助回收 “微塑料” ——从较大的塑料物体上切下的微小碎片——但主要的挑战是要第一时间捕获它们。绝大部分捕获微塑料的努力聚焦于防止这些物质进入环境,因为它们会污染水道,并最终污染食物链。尽管大塑料不会被人体吸收,只会通过消化系统后被排出体外,但我们并不完全了解微塑料摄入对人体的影响。谢弗指出,某些常见的塑料(例如PET)在聚合物链中具有含氧酯基。他表示:“这些官能团在生物系统中很常见,因此有可能产生更大的生态毒理学影响。”

问题是,即使我们不是故意的,我们所有人也在创造微塑料。例如,每当我们洗衣服的时候,微塑料纤维就会被释放出来,流入生活污水处理厂,并存留在污泥中,而污泥常常被散置于农田。

“目前家庭或公用事业基础设施都不是为处理如此微小的颗粒而设计的。” 亚当·鲁特(Adam Root)说,他是英国一家名为Matter的新创公司的创始人,该公司正在开发商用和家用微塑料收集系统。市场上已经有用于捕获微塑料的产品(例如在洗涤过程中用来放衣服的袋子),但是很少有人知道或使用它们。为了从另一个角度解决这个问题,鲁特开发了一种适用于现有洗衣机的外部再生过滤器,以及一种用于新型号洗衣机的内部装置,两者都将在今年晚些时候推出。
 

切碎的塑料会熔化成颗粒,然后制成新产品(图片来源: Paprec)

 
最为理想的情况是,在微塑料扩散进环境之前将其从废水中分离出来,但是传统的光学分选技术很难用于分离沉积物中的微塑料,因为背景信号和表面衰减会使采集到的光谱变得模糊。

2017年,位于英国诺里奇的东安格利亚大学的研究人员,报道了一种针对微塑料的荧光标记技术。他们用一种名为 “尼罗红” 的化合物对塑料进行染色,以帮助识别沉积物中的微塑料。由于塑料周围环境极性的影响,“尼罗红” 荧光光谱会发生变化,而这一变化也可以帮助识别材料的疏水性,从而区分出某种类型的塑料。谢弗指出,这种染色可能也适用于新出现的纳米塑料(尺寸更小的塑料)污染问题。但是,在这些塑料的价值达到被回收的规模之前,还有很长的路要走。

NO.5
PET酶—— 一种生物解决方案

2016年,一组科学家报告称,他们在日本大阪一家PET回收厂挑选的250块碎片中,发现了一沉积物样本里似乎有一群正在以PET为食的微生物。

日本庆应大学的宫本贤司(Kenji Miya-moto)和日本京都工艺纤维大学的小田耕平(Kohei Oda)及其合作者,在进一步的分析后,发现了对该过程至关重要的特定细菌菌株。这种被研究者命名为大阪堺菌(Ideonella sakaiensis)的细菌会释放出两种酶,即可水解PET的PET酶和可水解反应中间产物单(2-羟乙基对苯二甲酸的MHET酶。结果表明塑料会被降解成对环境友好的对苯二甲酸与乙二醇两种产物 。

这一发现引发了科学界的兴趣,国际上的几个研究小组都在竞相了解并潜在地提高酶的活性。在那些热衷于进一步发展宫本和小田研究工作的人中,有一支由美国南佛罗里达大学的H·李·伍德考克(H Lee Woodcock)、英国朴茨茅斯大学的约翰·麦基汉(John McGeehan)和美国科罗拉多州的国家可再生能源实验室的格雷格·贝克汉姆(Gregg Beckham)领导的国际研究团队。

为了建立PET酶的结构,贝克汉姆和他的团队在英国的“钻石光源”(Diamond Light Source)进行了X射线晶体学研究,“钻石光源”能够产生强度足够大、亮度足够高的X射线,从而弥补PET酶晶体难以形成的事实。该团队已经能够识别出PET酶的三维结构,甚至可以对其进行设计以提高活性。正如贝克汉姆所解释的那样,分子结构揭示了PET酶从一种最有可能在天然底物上起作用的酶(如植物细胞壁聚合物角质或木栓质)演变为一种能降解人造PET的酶的潜在机制。

令人印象深刻的是,就在PET垃圾开始在世界各地堆积的50年时间里,细菌已经进化出了将PET作为碳营养来源的能力。不过,贝克汉姆认为,对大阪堺菌和PET酶的发现和分析真正说明了,在降解PET方面,这种酶优化的潜力还有多大。“这一发现让科学界倍受鼓舞,因为这意味着我们可以利用像定向演化这样的工具,创造出更好的PET酶变体,并将类似的酶用于工业用途。”

不过,仍有人怀疑像PET酶这样的东西能否发挥出积极的作用。抛开酶破坏性的催化能力和一夜之间将所有塑料变成堆肥的恐怖故事不谈,谢弗质疑人们对已经很容易回收的PET聚合物的关注。他认为,用物理回收方法回收PET,甚至采用化学回收法回收PET低聚物,已经是非常闭合的循环系统,这比将塑料分解回单体更为有效。谢弗强调应该寻找一种可以对在主链上没有氧的聚合物起作用的酶。这种酶或许可以处理某些存在时间最为持久的塑料类型。

与此同时,贝克汉姆指出,塑料瓶(PET回收的主要成功案例)只占PET使用量的30%。事实上,PET主要用于地毯和衣物,但它们不容易回收利用。此外,物理回收本身会产生一小部分“细粉”颗粒,这超出了该工艺回收的能力范围。

贝克汉姆说:“从经济和可持续发展的角度来看,了解生物学在什么地方、什么时候能在PET回收中发挥作用是很重要的。”他的团队正在将PET和许多其他塑料(包括混合塑料的化学回收技术与生物处理技术进行比较,处理对象已经超出了PET的范围。2020年3月,德国研究人员报告称,他们发现了一种可以分解聚氨酯的细菌。聚氨酯是一种广泛应用于冰箱、建筑物、鞋类和家具的塑料,目前回收利用的成本非常高。

 

五颜六色的污染物。英国研究人员已经开发出一种在沉积物中发现微塑料的方法,他们先用荧光染料对其进行染色,然后使用光学分选(CC BY 4.0/T Maes et al. 2017 Sci. Rep. 7 44501)

 

NO.6
人类行为对未来的影响

不仅企业要转向生产更符合可持续循环塑料经济的产品,消费者也要发挥自己的作用。

贝肯特别提到了总部位于英国的 Gumdrop 公司,该公司收集嚼过的口香糖并将其转变成可收集更多口香糖的垃圾桶。大多数市售口香糖是由一种叫做聚异丁烯的合成橡胶和食品级塑化剂混合而成,每一片口香糖需要几百年才能完全降解。现在Gumdrop面临的问题是,人们会把香烟扔进垃圾桶,而这会污染口香糖,使其无法被回收。

正如谢弗所说:“重要的不是任何类型的塑料是否可回收、可生物降解或可堆肥,而是它是否会被循环利用、生物降解或堆肥。” 而这或许是塑料回收面临的最大问题——如何应对人类变化无常的行为。

 
作者简介 
安娜·德明(Anna Demming)是英国布里斯托尔的独立撰稿科学记者。


 原文链接:

https://physicsworld.com/a/plastic-that-doesnt-cost-the-earth/
 

本文为Physics World 专栏的第34篇。

第一篇:中国的挑战和变化
第二篇:第一个中美合作大学的物理研究所的故事
第三篇:专访张富春:让外国学者长期留在国内是个巨大的挑战
……
第二十九篇:中国科学的下一件大事:高能同步辐射光源
第三十篇:怎样用冶金学手段研究历史?
第三十一篇:有寿命,设备亦将老去,粒子物理学的探究将如何继续?
第三十二篇:哈利·波特,你怎么看待视觉特效和巫术?
第三十三篇:向大海要能量:人类雄心勃勃的蓝色梦想

版权声明

原文标题“Plastic that doesn't cost the Earth”,首发于2020年5月出版的 Physics World,英国物理学会出版社授权《知识分子》翻译。中文内容仅供参考,一切内容以英文原版为准。未经授权的翻译是侵权行为,版权方将保留追究法律责任的权利。
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