中国团队变塑料瓶为动物生长促进剂,回收1吨能赚350美元

清华大学和北京化工大学研究团队报告了一种升级回收PET塑料新方法:该方法能变废为宝,具有经济可行性,有助于管理塑料污染。
PET的化学全称为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),具有质量轻、强度高、耐水等特性,常用于制作饮料瓶、衣物、地毯等。每年约生产7000万吨PET塑料用于包装和纺织品,其中只有一小部分(<20%)得到回收。
研究人员提供了一种可持续新方案:使用储量丰富的金属基催化剂,将PET塑料转化为价值更高的化学材料二甲酸钾——一种新兴且安全的动物生长促进剂,以及清洁能源氢气。
此研究于当地时间8月17日发布在国际知名学术期刊《自然-通讯》上,论文标题为《Electrocatalytic upcycling of polyethylene terephthalate to commodity chemicals and H2 fuel》(将PET电催化升级为商品化学品和氢气燃料),论文通讯作者为清华大学化学系副教授段昊泓。
20世纪50年代初以来,人们生产的塑料已超过80亿吨,其中79%的塑料被丢弃、堆积在垃圾填埋场或水体中,对环境和生物造成严重威胁。塑料回收对节约不可再生资源有重要意义,同时能够减少二氧化碳排放。
传统的塑料回收策略(如机械方法)成功率有限,回收率低于10%。而且与原始塑料相比,再生材料的性能较差,这通常叫做“降级回收”。
化学回收方法则通过将塑料废弃物催化转化为高质量单体或升级为增值产品,从而获得更多价值。化学回收方法主要取决于催化剂效率、过程的可持续性和盈利能力。
“实际上,塑料的闭环回收在反应上不是难点,其瓶颈在于整个工艺的经济可行性。塑料化学回收主要包含三个过程:一、原料收集和预处理;二、催化转化;三、产物分离。”其中,过程一和三是成本和能耗的主要所在,而催化剂的贡献主要在过程二中。段昊泓表示,“我们认为塑料回收的关键不只取决于催化剂,在增加产物价值、工艺优化、政策调控等各方面都至关重要。”
论文称,电催化可由可再生能源(太阳能、风能和水力发电)提供动力,这是一种可持续且有吸引力的方式,可在温和条件下从阴极的水和阳极的有机化合物中产生清洁的氢气。
电催化已经在各种有机化合物的高效转化上取得很大进展。不过,将PET废弃物电催化转化为有价值的产品在很大程度上未得到探索。
“我们在这项工作中提出了电催化废弃PET塑料升级再造的新策略,验证了由废弃PET制备高附加值的对苯二甲酸、二甲酸钾和氢气反应的可行性。通过工艺的整合以及产物价值的提高,使得该电催化PET升级再造策略具有潜在经济可行性。”段昊泓对记者介绍道。
此项研究中,研究者展示了一种电催化策略,在氢氧化钾电解质溶液中使用双功能CoNi0.25P电催化剂,将PET转化为具有高附加值的二甲酸钾和对苯二甲酸的商品化学品,并产生副产物——氢气。
具体而言:PET在碱性溶液中电解得到包括对苯二甲酸和乙二醇在内的单体,乙二醇在电解槽中通过阳极CoNi0.25P催化氧化以>90%的选择性通过进行C-C键裂生成甲酸盐,同时在阴极同一催化剂上产生氢气。随后,甲酸用作PET电解质的酸化剂,用于对苯二甲酸沉淀和过滤再生,所得液流通过浓缩和结晶转化为固体二甲酸钾。从催化剂的角度来看,地球镍基和钴基催化剂储量丰富,它们达成了PET的高效升级回收和高产物选择性,使得产物容易分离。
“在反应产物中,二甲酸钾具有生物活性,能抑制大肠杆菌,沙门氏菌等有害微生物的繁殖,促进动物生长,是一种理想的非抗生素类饲料添加剂,可替代抗生素促生长剂,已于2001年由欧盟批准使用。随着我国采取立法手段禁用饲料添加抗生素,二甲酸钾在国内具有广阔成长空间。”段昊泓表示。
研究者评估了这一过程的经济可行性:在商业通用电流密度 (>300 mA cm−2) 下,1吨废旧 PET 的升级回收净收入约为 350 美元。就技术的产业应用,段昊泓说,每一项科学技术从诞生到最终实现工业化都是一条漫长的过程。
“我们认为这项技术从实验室规模迈向工业规模的关键之一在于流动反应器的设计和优化。目前我们正在开发的新型无膜电堆,具有成本低,可规模化等优点,已经取得一些进展,研究工作待发表。”段昊泓说,“我们希望通过不断地优化催化剂、反应器、操作条件等,最终实现废弃资源转化的工业应用。”
此项研究工作可能为从塑料废物中制备增值商品化学品和清洁氢气燃料的盈利性和可持续发展开辟一条途径。
关于PET 升级回收的下一步研究,段昊泓表示,“我们下一步将开发更高效的反应器用于规模化的PET升级回收,开展低成本塑料单体回收工艺,发展PET转化为其他高附加值产品新路径,同时挑战更有难度的聚乙烯等塑料的催化转化。”

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