塑料不易降解的特性雖然給生活帶來了便利，但同時(shí)也給地球帶來了麻煩，甚至已經(jīng)成為“無法承受之重”。新技術(shù)可以將日常生活中的聚乙烯廢塑料，比如塑料瓶、保鮮膜、塑料袋等降解成清潔燃油。但是，量產(chǎn)的前提是催化劑效率的進(jìn)一步提高，以及廢塑料的分類回收。

塑料已經(jīng)深入人類生活的方方面面。從食物包裝袋到3D打印材料，從小小的乒乓球到貫穿城市的下水管道，到處都有塑料。塑料不易降解的特性雖然給生活帶來了便利，但同時(shí)也給地球帶來了麻煩，甚至已經(jīng)成為“無法承受之重”。

關(guān)于減塑及塑料垃圾處理的問題在世界各國及不同行業(yè)領(lǐng)域里都備受關(guān)注。近日，第46期理解未來講座就邀請科學(xué)家和藝術(shù)家坐到了一起，分享彼此對于塑料的諸多觀點(diǎn)。其中，上海有機(jī)化學(xué)研究所金屬有機(jī)化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題組長、研究員、博士生導(dǎo)師黃正分享了關(guān)于聚乙烯廢塑料降解的研究，在科學(xué)家們的不斷努力下，塑料垃圾也能變廢為寶，比如轉(zhuǎn)化為柴油。

塑料如何變柴油

如果在搜索引擎輸入“塑料變柴油”，會顯示一些騙局新聞，也有人將它視作和“水變油”一樣的詐騙行為。但事實(shí)上塑料變柴油卻并非天方夜譚，只是要真正達(dá)到量產(chǎn)還需要諸多步驟。

塑料為何能變柴油呢?黃正向《中國科學(xué)報(bào)》介紹說，大部分塑料都來自于石油氣?！昂芏嗨芰献畛醵际莵碜允?，石油裂解產(chǎn)生了乙烯、丁二烯等物質(zhì)，而它們是生產(chǎn)塑料的原料?！?

身為一名化學(xué)家，就會考慮塑料的降解是否可以從哪里來到哪里去。黃正解釋說：“聚乙烯廢塑料是理想的燃油，成分與柴油、汽油的組成是一樣的，如果能把它用起來，它不含硫、氮這些雜原子。關(guān)鍵在這里面，塑料袋是固體，汽油、柴油是液體，我們應(yīng)該把它降解下來，把它的分子變小才可以拿來用?！?

將高分子量的聚乙烯類的廢塑料進(jìn)行降解是他和團(tuán)隊(duì)長久以來的重點(diǎn)研究方向之一，希望通過催化劑的設(shè)計(jì)與發(fā)展，把塑料轉(zhuǎn)化為高附加值的產(chǎn)品——“比如把聚乙烯在溫和條件下降解選擇性生成燃油”。

既有的辦法是通過熱裂解技術(shù)實(shí)現(xiàn)?！暗@個(gè)辦法能量效率低，溫度往往要大約400攝氏度，并且高溫情況下塑料會產(chǎn)生各種各樣的產(chǎn)物，包括烷烴、芳烴、烯烴。這個(gè)產(chǎn)物可以是汽、油或蠟，非常復(fù)雜，使它的利用率很低?！?

黃正采用了交叉烷烴復(fù)分解催化的策略。研究團(tuán)隊(duì)使用價(jià)廉量大的低碳烷烴作為反應(yīng)試劑和溶劑，通過與聚乙烯發(fā)生重組反應(yīng)，有效降低聚乙烯的分子量和長度。在反應(yīng)體系中低碳烷烴過量存在，可多次參與與聚乙烯的重組反應(yīng)，直至把分子量上萬，甚至上百萬的聚乙烯降解為清潔柴油。

“這個(gè)工作主要基于用一種雙金屬催化烷烴復(fù)分解的方法，這是2006年Goldman、Brookhart發(fā)在《科學(xué)》上的工作。我們想用交叉烷烴復(fù)分解，把聚乙烯降解下來，在較溫和的條件下，如在小于200攝氏度的情況下，將高分子量的聚合物降解為低分子的燃油烷烴?！秉S正向《中國科學(xué)報(bào)》進(jìn)一步解釋說，“高分子聚乙烯與小分子烷烴進(jìn)行重組，小分子烷烴把高分子像剪刀一樣剪斷了，剪斷以后證明它的分子量就降低了，而且在這里面，小分子烷烴是大量過量的，有很多把剪刀可以不斷地把高分子的一條長鏈剪斷，進(jìn)而變成燃油的烷烴。”

實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)有前提

有了這項(xiàng)技術(shù)，日常生活中的聚乙烯廢塑料，比如塑料瓶、保鮮膜、塑料袋等就可以降解成清潔燃油。但是，前提是催化劑效率的進(jìn)一步提高，以及廢塑料的分類回收。

黃正介紹說，目前研究中催化劑的使用量相對較大，催化劑跟廢塑料質(zhì)量比，大約能做到1到100左右;但如果要真正實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，比例則要提升到1比10萬，甚至1比100萬。也就是說，加入1克的催化劑就可以將100萬克的廢塑料降解?！斑_(dá)到這個(gè)效率的時(shí)候，催化劑就有機(jī)會實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，這正是我們目前努力的方向，把催化劑效率提高，降低催化劑的用量?！?

黃正的學(xué)生賈香清博士研究發(fā)現(xiàn)，釔催化劑和錸催化劑可以將聚合物降解，把聚乙烯降解成在分子量可以適用于作為柴油的烷烴。但釔和錸兩個(gè)都是貴金屬，價(jià)格不菲。黃正表示：“一方面我們在考慮催化劑的回收利用，另外也在考慮是否能用廉價(jià)的金屬，比如鐵來做代替。”

除了進(jìn)一步提高催化效率、降低成本之外，實(shí)現(xiàn)塑料變柴油的另外一個(gè)前提條件就是塑料的回收和分類。塑料垃圾屬于可回收類別，但是可回收里面還有紙張、飲料罐等，需要進(jìn)一步進(jìn)行精細(xì)分類。

“如果把它和生活垃圾混在一起，再分類就很頭痛，另外還要清洗，清洗過程又造成水污染。所以回收非常重要?！绷硗?，黃正強(qiáng)調(diào)說，現(xiàn)在做的工作只是個(gè)開頭，并不是說已經(jīng)能夠解決這個(gè)問題。

能靠微生物實(shí)現(xiàn)塑料降解嗎？

關(guān)于微生物降解塑料的研究近年來多次見諸報(bào)端。2016年，日本京都科技大學(xué)小田耕平課題組就曾報(bào)道發(fā)現(xiàn)了一種相當(dāng)有潛質(zhì)的處理塑料的微生物;2017年，中國科學(xué)院昆明植物研究所許建初團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了塔賓曲霉菌對聚氨基甲酸酯的生物降解作用;此外關(guān)于合成生物的進(jìn)展也讓很多人對微生物降解塑料抱以期待。

黃正說，用微生物降解塑料很有意義也很有趣，同時(shí)需要考慮的另外一點(diǎn)是，降解以后的產(chǎn)物怎么再利用。中國科學(xué)院動物研究所基因工程技術(shù)研究組組長、研究員王皓毅解釋說，不太可能有一種微生物能降解所有塑料，一定是降解某一類塑料;能否實(shí)際應(yīng)用不僅是科學(xué)問題，也涉及公共管理的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)特定種類塑料的收集。

此外，王皓毅指出：“現(xiàn)在人們還沒有能力從頭創(chuàng)建一種新的微生物。合成生物學(xué)的進(jìn)展可以改變已有的微生物中的幾個(gè)乃至幾十個(gè)基因，可以把一整套由多種生物酶構(gòu)成的化學(xué)反應(yīng)體系在微生物中建立起來。生物體的化學(xué)反應(yīng)效率是很高的，很多時(shí)候它可以比在體外催化有更高活性。如果未來利用合成生物學(xué)能得到具有良好降解塑料能力的微生物，它的應(yīng)用還是需要考慮很多問題，需要將其可降解的類型的塑料做有效的分類集中，經(jīng)過基因改造的微生物也需要嚴(yán)格保持與自然界的隔離，以避免影響其他微生物的生態(tài)平衡。要真正從實(shí)驗(yàn)室走到應(yīng)用，這一系列合成生物學(xué)和生態(tài)的問題都需要一點(diǎn)一點(diǎn)攻克和解決。”