化學家正在重新設想回收利用，以防止塑膠進入垃圾掩埋場

回收的感覺真好。盡責地將汽水瓶、塑膠袋和優格杯從垃圾中分類出來，會帶來一定的成就感。放入藍色垃圾箱的塑膠越多，就越能避免進入垃圾掩埋場和海洋，對嗎？

錯誤的。無論您多麼仔細地清潔和分離塑料，大多數最終都會被扔進垃圾堆。

採取靈活的食品包裝。這些薄膜包含多層不同的塑膠。由於每種塑膠都必須單獨回收，因此這些薄膜不可回收。雜貨袋和收縮包裝太脆弱，容易與傳送帶上的其他材料纏在一起。優格杯和其他物品中的聚丙烯通常也不會被回收；回收大雜燴的聚丙烯會產生一種深色、有臭味的塑料，很少有製造商會使用這種塑料。

在美國，通常只回收兩種塑膠：塑膠汽水瓶中的塑膠、聚對苯二甲酸乙二酯或 PET；以及塑膠汽水瓶中的塑膠。以及牛奶罐和洗滌劑容器中的塑膠——高密度聚乙烯（HDPE）。一起，這些塑膠僅佔世界塑膠垃圾的四分之一左右，研究者於 2017 年報告科學進步。當這些塑膠被回收時，它們的用處並不大。熔化塑膠進行回收會改變其稠度，因此瓶子中的 PET 必須與全新塑膠混合才能製成堅固的最終產品。回收多種顏色的 HDPE 碎片的混合物會產生一種深色塑料，僅適用於製造公園長椅和垃圾桶等產品，在這些產品中，顏色等特性並不那麼重要。

匹茲堡大學化學工程師 Eric Beckman表示，將塑膠回收成製造商想要使用的任何東西的困難是世界上充斥著如此多塑膠廢物的一個重要原因。僅 2018 年，美國填埋了2700萬噸塑料根據美國環保署的數據，僅回收了 300 萬個。低迴收率不僅是美國的問題。全球廢棄的 63 億噸塑膠中，只有約 9% 得到了回收。另外 12% 已被燒毀，近 80% 已堆積在陸地或水道中。

從珠穆朗瑪峰山頂到馬裡亞納海溝底部，到處都有塑膠收集，迫切需要減少塑膠用量被丟掉的（SN：21 年 1 月 16 日，第 14 頁5）。有人提議用可生物降解材料代替塑料，但這些替代品通常不如塑膠堅固或便宜（SN：2019 年 6 月 22 日，第 19 頁18）。實際上，塑膠不會很快消失，因此了解所有這些討厭塑膠的來龍去脈的化學家正在努力使其更容易回收，並轉化為可用於更多用途的更高品質的材料。

紐約州西亨麗埃塔 REMADE 研究所的高級專案經理 Ed Daniels 表示：「不會有任何一項技術能夠解決這個問題。」該研究所資助新回收技術的研究。有些項目正處於進入產業化的邊緣；其他人仍然只是有希望的實驗室實驗。但所有人都專注於設計一個未來，讓任何最終進入回收箱的塑膠都可以在新產品中獲得第二次和第三次生命。

拆解塑料

塑膠回收的最大瓶頸之一是每種材料都必須單獨處理。 「大多數塑膠就像油和水，」康奈爾大學的化學家傑弗裡·科茨說。他們只是不混合。以聚乙烯洗滌劑罐及其聚丙烯蓋為例。 「如果你把它們融化，然後我用它製作一個瓶子，然後擠壓它，它基本上會破裂，」科茨說。 「它太脆弱了。完全沒有價值。

這就是為什麼塑膠可回收物的第一個目的地是材料回收設施，人員和機器在那裡進行分類。分離出的塑膠可以清洗、切碎、熔化和重塑。此系統適用於蘇打水瓶和牛奶罐等簡單物品。但除臭劑容器之類的物品卻不然——瓶子、曲柄和蓋子都可以由不同種類的塑膠製成。含有多層不同塑膠的食品包裝薄膜拆開特別困難。全球每年生產 1 億噸此類多層薄膜。威斯康辛大學麥迪遜分校的化學工程師喬治·胡貝爾 (George Huber) 表示，這些塑膠被丟棄後會被送往垃圾掩埋場。

為了解決這個問題，胡貝爾和同事設計了一種處理複雜塑膠混合物的策略。該過程使用一系列液體溶劑來溶解產品中的各個塑膠成分。 Huber 說，訣竅是選擇正確的溶劑，一次只溶解一種塑膠。

該團隊在含有聚乙烯和 PET 的包裝薄膜以及由乙烯乙烯醇 (EVOH) 製成的可保持食物新鮮的塑膠阻氧層上測試了該技術。

將薄膜攪拌到甲苯溶劑中，先溶解聚乙烯層。將剩餘的 EVOH-PET 薄膜浸泡在稱為 DMSO 的溶劑中，以剝離 EVOH。然後，研究人員拔出剩餘的 PET 薄膜，並透過與「反溶劑」化學品混合，從各自的溶劑中回收另外兩種塑膠。這些化學物質導致分散在液體中的塑膠分子聚集成固體塊，可以將其撈出。

這個過程幾乎回收了原始薄膜中的所有塑料，研究人員去年 11 月報告科學進步。當對一堆聚乙烯、PET 和 EVOH 珠粒進行測試時，溶劑清洗回收了每種材料 95% 以上，這表明這些溶劑可用於從比包裝薄膜更大的物品上剝離塑膠成分。因此從理論上講，回收設施可以使用這種技術來拆卸多種塑膠除臭劑容器和其他各種形狀和尺寸的產品。

胡貝爾和同事接下來計劃尋找溶劑來溶解更多種類的塑料，例如聚苯乙烯泡沫塑料中的聚苯乙烯。但要使這項策略有效地對現實世界可回收物中所有複雜的塑膠組合進行分類，還需要做更多的工作。

製作塑膠混合物

還可能存在化學捷徑，允許多層薄膜和其他塑膠混合物按原樣回收。稱為增容劑的添加劑可以幫助不同的熔化塑膠混合，從而使未分類的材料可以被視為一種材料。但沒有一種通用的相容劑可以讓各種塑膠混合在一起。現有的增容劑並未廣泛使用，因為它們的效力不是很強，而且在塑膠共混物中添加大量增容劑會變得昂貴。

為了提高可行性，科茨和同事創造了一種高效能的聚乙烯和聚丙烯相容劑。這兩種塑膠加起來佔世界塑膠的一半以上。新的增容劑分子包含兩個聚乙烯片段，其中散佈著兩個聚丙烯片段。這些交替的片段鎖定在混合物中同類的塑膠分子上，將聚乙烯和聚丙烯結合在一起。就好像聚乙烯是由樂高積木製成的，聚丙烯是由 Duplos 製成的，研究人員製作了一種特殊的積木，其連接器適合這兩種類型的積木。

每個增容劑分子有兩個聚乙烯和兩個聚丙烯連接器，而不是一個，使這個兼容劑比以前的版本更強Coates 及其同事於 2017 年在科學。新增容劑的第一次測試是將聚乙烯和聚丙烯條焊接在一起。通常，這兩種材料很容易剝離。但由於它們之間有一層增容劑，當拉開時，塑膠條破裂，而不是增容劑密封。

在第二次測試中，研究人員將增容劑混合到聚乙烯和聚丙烯的熔融混合物中。只需要 1% 的增容劑就可以製造出堅韌的新型塑膠。

「這些都是非常有效的添加劑，」科茨說。必須添加濃度高達 10% 的其他增容劑才能將這兩種塑膠黏合在一起。新的增容劑現已成為 Coates 位於紐約州伊薩卡的新創公司 Intermix Performance Materials 的基礎

完好如新

即使每一件塑膠垃圾都可以輕鬆回收，但這仍然無法解決世界塑膠問題。目前回收工作的方式有幾個主要問題，嚴重限制了回收材料的可用性。

一方面，再生塑膠繼承了所有染料、阻燃劑和其他添加劑，這些添加劑賦予了每個原始塑膠零件獨特的外觀和感覺。 「最終回收的塑膠實際上是一種非常複雜的混合物，」加州大學聖塔芭芭拉分校的化學家蘇珊娜·斯科特說。很少有製造商能夠使用具有隨機混雜特性的塑膠來製造新產品。

另外，回收會破壞塑膠分子中的一些化學鍵，影響材料的強度和一致性。熔化和重塑塑料有點像在微波爐中重新加熱披薩——你基本上會得到你放入的東西，只是沒有那麼好。這限制了塑膠在被填埋之前可以回收的次數。

解決這兩個問題的方法可能在於一種新的回收工藝，稱為化學回收，它有望無限次地製造純新塑膠。化學回收涉及在分子層面上分解塑膠。

構成塑膠的分子稱為聚合物，由較小的單體組成。利用熱和化學物質，可以將聚合物分解成單體，將這些構件與染料和其他污染物分離，然後將單體重新組裝成嶄新的塑膠。

「我想說，在過去的三、四年裡，化學回收確實開始成為一股力量，」匹茲堡大學的貝克曼說。但大多數化學回收技術對於商業用途而言過於昂貴或能源密集。 「它還沒有準備好迎接黃金時段，」他說。

不同的塑膠需要不同的化學回收過程，有些塑膠比其他塑膠更容易分解。 「距離最遠的是 PET，」貝克曼說。 “這種聚合物恰好很容易分解。”包括法國 Carbios 公司在內的多家公司正在開發化學回收 PET 的方法。

Carbios 正在測試微生物產生的酵素來分解 PET。公司研究員描述了他們的工作去年四月在一種這樣的酵素上自然。微生物通常使用這種稱為葉枝堆肥角質酶的酵素來分解植物葉子上的蠟質塗層。但角質酶也擅長將 PET 分解成單體：乙二醇和對苯二甲酸。

「這種酵素就像一把分子剪刀，」Carbios 首席科學官阿蘭馬蒂 (Alain Marty) 說。但由於它的進化目的是分解植物物質，而不是塑料，所以它並不完美。為了使酵素能夠更好地切割 PET，「我們重新設計了酶的活性位點，」Marty 說。這涉及到將 PET 對接位點上的一些氨基酸替換為​​其他氨基酸。

當研究人員在 PET 瓶的彩色塑膠片上測試他們的突變酶時，每克 PET 使用 3 毫克的酶，大約 90% 的塑膠在大約 10 小時內分解。原來的酵素已達到最約 50%。研究人員利用過程中產生的對苯二甲酸單體製造了與原始塑膠瓶一樣堅固的新塑膠瓶。

Carbios 目前正在法國里昂附近建造一家工廠，並將於今年稍後開始化學回收 PET。

條件較溫和

但其他塑料，如聚乙烯和聚丙烯，更難透過化學回收分解。例如，分解聚乙烯分子需要超過攝氏 400 度的溫度。在如此高的溫度下，化學反應是混亂的。塑膠分子隨機分解，產生複雜的化合物混合物，可以作為燃料燃燒，但不能用於製造新材料。

加州大學聖塔芭芭拉分校的化學家史考特建議，在較溫和的條件下，以更可控的方式部分分解這些堅固的塑料，以製造其他種類的有用分子。她和同事最近想出了一種將聚乙烯轉化為烷基芳香族化合物的方法，這種化合物可以用作洗髮精、洗滌劑和其他產品中的可生物降解成分。該過程包括將聚乙烯放入溫度設定為 280°C 的反應室中，並放置含有鉑奈米顆粒的催化劑粉末。

聚乙烯是一種長分子，其中氫原子連接到碳主鏈上，碳主鏈可能有數千個碳原子長。史考特說，鉑擅長破壞碳氫鍵。 「當你這樣做時，你會在反應器中產生氫氣，鉑催化劑可以利用氫氣來打破[分子主鏈中]的碳-碳鍵。所以它實際上把鏈條切成更小的碎片。

由於該反應發生在相對溫和的 280°C 下，因此它以有序的方式發生，將長聚乙烯分子折斷成較短的鏈，每個鍊長約 30 個碳。然後這些片段將自身排列成烷基芳香族化合物特有的六邊環結構。

在反應室中放置 24 小時後，「大部分產物都是液體，而且大部分液體都是烷基芳烴，」Scott 說。在實驗中，低密度聚乙烯袋中約 69% 的塑料被轉化為液體。大約 55% 的高密度聚乙烯瓶蓋發生了變形。斯科特說，該過程也會產生碳氫化合物氣體，這些氣體可用於產生熱量以在回收工廠進行反應。

目前，這只是一個實驗室演示，與許多新的回收策略一樣，它距離商業化還有很長的路要走。而且，回收管道的任何升級都無法消除世界上堆積如山的塑膠垃圾。 「我們需要一套技術來應對這項挑戰，」REMADE 研究所的丹尼爾斯說。但每項新技術——無論是專注於使塑膠更容易回收，還是將其轉化為更有用的材料——都可以有所幫助。