MIT、东华大学、中石化联手:微波330瓦,辐照8秒,塑料变燃料!

2021-04-14 14:40:49 高分子科学前沿

废旧塑料制品再利用——迫在眉睫

「白色污染」,因不可降解塑料的随意丢弃与不健全的回收机制产生的环境污染物,已是当下环境污染问题中被老生常谈的一个问题。

(全球微塑料在海洋中的分布。红圈越大代表微塑料数量越大。图源:ACS Energy Lett.)

「白色污染」带来的危害离我们并不遥远。例如,丢弃的塑料流入海洋后,在海水、阳光等共同作用下,破裂为颗粒,形成微塑料甚至纳米塑料。这些小颗粒被鱼类食用,鱼类又被我们享用。所以,毫不夸张地说,“天道有轮回”,我们吃进了自己丢掉的塑料垃圾。

需要说明的是,「白色污染」这个说法稍有不妥。因为废弃塑料品只是放错位的资源

当下我们正践行着针对塑料品的各种环保措施:可降解塑料的研发愈发火热,市面上也出现了不少纸质替代品……

但是,不可降解塑料的长期使用与积累仍然留下了大量待处理的废弃塑料。

如应对新冠疫情产生的废弃口罩以及退役锂电池中废旧隔膜材料。这些塑料在环境中自然降解需要超过 500 年之久。若放任不管,我们以后恐怕只能生活在塑料的海洋中了。

传统应对之策

除塑料制品的回收利用外,传统处理「白色污染」的方法是填埋与焚烧。

填埋只是缓兵之策,并不治本;焚烧虽能抹除废弃物,但燃烧往往增加碳排放、产生有毒气体、消耗大量能源,无法可持续利用。

(被烧剩的碳熏黑的废弃塑料焚烧炉出口。整这么黑,搁这儿熏腊肉呢?)

近年来主要通过机械回收和化学回收两种方法以分解不可降解高分子材料。但机械回收需预分类等多个循环步骤,回收成本高;化学回收则需要设计各种专属催化剂,且催化剂寿命有限,大规模处理各种高分子材料存在困难。

新方法——微波等离子体高温快速炭化

近日, 麻省理工李巨教授课题组联合东华大学朱美芳院士、中国石化集团公司首席专家乔金樑教授,研发出一种微波等离子体高温快速炭化塑料的技术。该技术能在数秒之内将常见不可降解塑料转变为高度石墨化的碳与多种化工原料气体,实现减少碳排放、加速碳循环、迈向碳中和的三大目标。论文第一作者为麻省理工博士后徐桂银

工欲善其事,必先利其器

讲具体原理之前,先介绍下操作所需的材料。

一台产生微波的微波炉必不可少。但仅仅把塑料制品用微波照一下是难以产生等离子体的。

因此,需要能诱导等离子产生的关键材料。

作者们选用了由三聚氰胺海绵炭化而成的碳气凝胶

这种气凝胶除能大量吸收微波辐射、具有力学强度等优点外,还有更关键的一点——自身三维网络结构有利于大面积吸收微波。

(由三聚氰胺海绵炭化而来的碳气凝胶的三维网络。图源:Environ. Sci. Technol.)

为什么大面积吸收微波是个重要优点?这就需要我们从原理层面来解释了。

等离子体高温炭化的原理

该技术核心是碳气凝胶吸收微波。

吸收微波后,碳气凝胶表面(特别是尖端处)会累积大量电子。

当聚集的电子足够多时,它们产生的强大电场可将一些电子脱离碳表面而进入到附近氮气中,造成气体分子电离、加速、碰撞。最终形成等离子放电。

一旦发生等离子体放电,气凝胶表面温度将于数秒内升至3000K以上!

(实验装置图。等离子体放电使碳气凝胶表面温度急剧升高,且高温区域集中于置于反应器内的碳气凝胶表面。图源:Environ. Sci. Technol.)

作者们为了测量如此高温,不得不使用黑体辐射公式。

可想而知,如果将废弃塑料制品与如此高温的碳气凝胶表面接触,塑料将瞬间被炭化。整个反应体系保证无氧条件,塑料炭化的同时便会释放出氢气、一氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷等用于化工生产的高价值气体原料或燃料,整个体系具有与现有化工设施兼容的潜力

(等离子体放电炭化技术的工业应用流程示意图。炭化产生的气体经分离后可用于后续化工生产。图源:Environ. Sci. Technol.)

因此,微波吸收材料突触越多,则越容易产生等离子体。

等离子体高温快速炭化的性能

通过对照实验反复探索,作者们确定了等离子体高温快速炭化的最佳条件:

微波330瓦,辐照8秒

废电池隔膜、废塑料、废旧纺织纤维、各色废口罩,送进反应器来 8 秒,统统整成碳及高价值气体原燃料!

(送来照一照,塑料变燃料!)

(不论啥口罩,经微波等离子体放电高温都能给整成炭。图源:Environ. Sci. Technol.)

同时,气相色谱监测炭化过程产生有氢气、一氧化碳、甲烷、乙烯、丙烯、丁烯等各类气体。主要气体产物为氢气一氧化碳占气体总体积50%以上

(等离子高温快速炭化三种塑料的部分气体产物。纵轴数值为体积百分数。图源:Environ. Sci. Technol.)

氢气和一氧化碳是费托合成制备乙醇、柴油等原料,而剩下的烷烃、烯烃等又可用于各种化工生产。

前提是要做好混合气体的分离与纯化。

等离子体高温快速炭化的特点

第一,微波等离子炭化过程具有自增强特点。由于塑料炭化后形成的余碳会附着在碳气凝胶表面,提高表面崎岖程度,使下次放电更剧烈,炭化效果更好。

第二,等离子体放电引起的高温只局限在碳气凝胶表面,而盛放气凝胶的反应器器壁温度在炭化过程中未发生明显变化。因此,反应器无需使用耐高温材料,便于降低制造成本。

第三,微波等离子体炭化过程可于数秒内完成,便于兼容新能源转化来的间断性电能。先前报道的各种分解塑料的方法需时一般为数十分钟至数小时。

相信在作者们不断评估、完善这套技术的努力下,我们星球上的废弃塑料制品能早日找到合适的归宿,不再“流浪”,打造「无废星球」。

更多内容及细节请参阅原文:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.0c06977

来源:高分子科学前沿

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