賦予塑膠袋新生命

當社會大眾逐漸意識到塑膠垃圾造成的健康與環境問題,回收、減用塑膠製品成了當前的重要議題。如何更經濟、更環保地再利用這些塑膠廢棄物,是科學家們一直想解決的問題。現在,科學家們有了新的解答:利用鉑催化劑,可以將聚乙烯製品升級再造,生成具有高附加價值的芳香烴類化合物。

圖片來源:pxfuel

撰文/鄭琳潔

聚乙烯(PE)是生活中常見的塑膠原料,舉凡購物用的塑膠提袋、寶特瓶的蓋子、牙膏的軟管都是由聚乙烯製成。具有彈性且難以腐蝕的特點,賦予聚乙烯廣泛的用途。每年產值高達20億美金,佔全球塑料市場的三分之一。但安定的性質同時也是一把雙面刃,流入自然環境的聚乙烯製品,幾乎不會與任何東西反應,造成嚴重的污染問題。

除了尋找替代材料或開發具有生物分解性的產品,如何處理大量已經流入市面的聚乙烯製品仍是個棘手的議題。今年十月,科學家們為這項難題提出了新的解決辦法:將廢棄的聚乙烯轉化成具長碳鏈的芳香烴化合物,這些芳香烴化合物可以用於製造有機溶劑、潤滑油或是清潔劑。研究的成果發表於國際期刊 Science

過去,使用石化原料製造長碳鏈芳香烴化合物的方法,往往涉及500到1000度的反應及多個反應步驟。而聚乙烯的熱裂解則需要400度以上的高溫及大量的氫氣,而且往往只能生成難以再應用的氣態烷基化合物及焦炭(char)。

加州大學聖芭芭拉分校的研究團隊所提出的方法,使用嵌有鉑奈米粒子的氧化鋁作為反應的催化劑,在280度未提供氫氣的環境下,反應24到36小時,可以成功將聚乙烯轉化為芳香烴化合物。這個反應可以在單一個反應容器中一次性的完成(one-pot reaction)。芳香烴的產物平均具有30個碳,大部分是具有直鏈烷基的苯雙取代化合物。

這個反應的成功,與背後涉及的熱力學有著密切的關係。烷烴類的反應物生成芳香烴化合物,需要經過芳構反應(aromatization),芳構反應是一個吸熱反應,並會伴隨大量的氫氣生成。聚乙烯的氫解反應(hydrogenolysis),同時涉及碳-碳鍵的斷裂及碳-氫鍵的形成,除了是放熱反應還需要大量的氫氣參與。因此,這個研究中,相伴發生(tandem reaction)的芳構反應與氫解反應洽好彌補了雙方的需求。

科學家們藉由調控反應的溫度,可以使反應的轉化率與生成芳香烴產物的選擇性達到最佳化。他們也注意到,在反應中芳香烴產物及起始物,可能進行環化反應釋出額外的氫氣,過多的氫氣會導致產物被氫化,進而產生許多難以再利用的烷基產物。未來,對於反應的挑戰在於調節反應中的氫氣含量及壓力:氫氣太多會促使產物氫化,氫氣太少則可能無法將聚乙烯氫解。

上圖為簡化後的反應示意圖,其中氫解與氫化反應都需要氫氣參與,芳構及環化反應則會釋出氫氣。

研究團隊也測試反應的催化劑是否可以循環再利用,使用同一組催化劑,每次反應6個小時,測試三輪循環下產率的變化。他們發現產率在第二次循環時下降了15%,但在第二輪及第三輪的測試中,聚乙烯的產率都在55%。此外,研究團隊也將他們的方法應用在市售的聚乙烯產品,他們發現無論是低密度聚乙烯(LDPE)的塑膠袋或是高密度聚乙烯(HDPE)的瓶蓋,都可以成功用以合成液態/臘狀的芳香烴產物。

現今,聚乙烯的原料主要是石油謎,芳香烴化合物的原料也是石油謎,相較於石油開採伴隨的環境成本,以回收的聚乙烯作為原料,從環保及永續的角度是可行且值得嘗試的。未來,這些標示環保標誌2(HDPE)與4(LDPE)的塑膠產品回收後,或許會以截然不同的方式再出現在我們的生活當中。

 

參考資料:

  1. Polyethylene Upcycling to Long-Chain Alkylaromatics by Tandem Hydrogenolysis/Aromatization. Science 2020, 370, 437-441 doi: doi.org/10.1126/science.abc5441
  2. University of California, Santa Barbara: October 20, 2020, Closing the Plastic Loop
  3. Creating Value from Plastic Waste. Science 2020, 370, 400-401 doi: doi.org/10.1126/science.abe3873
views