新型塑料可以正面解决垃圾危机

塑料几乎是我们日常使用的每一种产品的一部分。美国人均每年产生约100公斤塑料垃圾，其中大部分直接进入了垃圾填埋场。劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科琳·斯考恩、布雷特·赫尔姆斯、杰伊·科斯林和克里斯汀·佩尔松领导的团队开始改变这一现状。

不到两年前，赫尔姆斯宣布发明了一种新型塑料，可以正面解决垃圾危机。这种材料被称为聚二酮烯胺(polydiketoenamine，简称PDK)，它拥有传统塑料的所有便利特性，同时又避免了环境隐患，因为与传统塑料不同，PDK可以无限回收，质量不会下降。

现在，该团队发布了一项研究，表明如果制造商开始大规模使用pdk，可以实现什么。最重要的是，基于pdbase的塑料可以很快在商业上与传统塑料竞争，随着时间的推移，产品将变得更便宜和更可持续。

“塑料从来就不是用来回收利用的。很久以后人们才认识到这样做的必要性。”Nemi Vora解释道，他是该报告的第一作者，也是与资深作者Corinne Scown合作的前博士后研究员。“但推动可持续发展是这个项目的核心。PDK从一开始就被设计成可回收的，从一开始，团队就一直在改进PDK的生产和回收过程，以便这种材料能够廉价且容易地应用于从包装到汽车的任何商业规模。”

该研究提出了一个模拟的2万吨/年的设施，生产新的PDK和吸收使用的PDK废物回收。作者计算了所需的化学投入和技术，以及成本和温室气体排放，然后将他们的发现与传统塑料生产的等效数据进行了比较。

“这些天来，业界大力推动采用循环经济的做法。每个人都在试图回收他们在市场上投放的任何东西。”Vora说。“我们开始与工业界讨论使用100%无限回收塑料，并收到了很多兴趣。”

“问题是它将花费多少钱，对能源使用和排放将产生什么影响，以及如何从我们现在的位置实现这一目标。”伯克利实验室分子铸造部的科学家Helms补充道。“我们合作的下一阶段是回答这些问题。”

检查箱子又便宜又容易

到目前为止，已经生产了83亿公吨的塑料材料，其中绝大多数被送到了垃圾填埋场或垃圾焚烧厂。一小部分塑料被送往“机械”回收，这意味着它们被熔化，然后重新塑成新的产品。然而，这种技术的好处有限。塑料树脂本身是由许多相同的分子(称为单体)结合在一起形成长链(称为聚合物)。然而，为了赋予塑料许多纹理、颜色和性能，在树脂中添加了颜料、热稳定剂和阻燃剂等添加剂。当许多塑料一起熔化时，聚合物与大量可能不相容的添加剂混合，导致一种新材料的质量比新生产的原始树脂低得多。亚博网站下载因此，只有不到10%的塑料被机械回收多次，而回收的塑料通常还含有原始树脂，以弥补质量的下降。

PDK塑料完全回避了这个问题——树脂聚合物在与酸混合时很容易分解成单个单体。然后，这些单体可以从任何添加剂中分离出来，并收集起来，在没有任何质量损失的情况下制造新的塑料。该团队早期的研究表明，这种“化学回收”过程对能源和二氧化碳的排放很轻，而且它可以无限重复，创造出一个完全循环的物质生命周期，而目前这是一张浪费的单程票。

然而，尽管有这些令人难以置信的特性，要想真正在塑料的游戏中打败塑料，pdk还需要方便。回收传统的石油塑料可能很难，但制造新的塑料很容易。

“我们说的是基本上不能回收的材料，”亚博网站下载斯考恩说。“因此，就吸引制造商而言，pdk不是与回收塑料竞争——他们必须与原始树脂竞争。我们很高兴看到回收材料的成本如此低廉，效率如此之高。”

斯考恩是伯克利实验室能源技术和生物科学领域的科学家，专门研究新兴技术对未来环境和金融影响的建模。亚博老虎机网登录Scown和她的团队从一开始就致力于PDK项目，帮助Helms的化学家小组和制造科学家选择原材料、溶剂、设备和技术，从而生产出最实惠、最环保的产品。app亚博体育亚博网站下载

“我们正在采用早期技术，并设计商业规模运营的外观”使用不同的输入和技术，她说。这种独特的协作建模过程使伯克利实验室的科学家能够识别潜在的放大挑战，并在不需要昂贵的反复试验的情况下进行过程改进。

该研究小组的报告发表在亚博老虎机网登录科学的进步，根据塑料的发展现状，模拟了一个商业化规模的PDK生产和回收管道。“和主要收获,一旦你产生了此后最初和你有在系统,相关的成本和温室气体排放继续循环回单体,使新产品可能会低于,或者至少与许多传统的聚合物,”斯考恩说。

计划推出

由于工艺建模的优化，回收的PDK已经吸引了需要采购塑料的公司的兴趣。始终着眼于未来，赫尔姆斯和他的同事从项目早期就开始进行市场研究，并与业界人士会面。他们的工作表明，回收PDK的最佳初始应用r PDK是制造商将在其产品寿命结束时收回其产品的市场，如汽车行业（通过置换和回收）和消费电子产品（通过电子废物计划）。这些公司将能够在其产品中获得100%可回收PDK的好处：可持续品牌和长期节约。

“有了PDK，现在业内人士有了选择，”赫尔姆斯说。“我们正在引进那些在其产品线和制造能力中构建循环性的合作伙伴，并为他们提供符合未来最佳实践的选择。”

新增笑脸：“我们知道在这个层次上有兴趣。一些国家计划对依赖不可回收材料的塑料产品征收高额费用。这种转变将提供强大的经济动力，促使人们不再使用原始树脂，并将推动对回收塑料的大量需求。”

在渗透到汽车和电子产品等耐用产品市场后，该团队希望将PDKs扩展到包装等寿命较短的一次性产品。

一个完整的未来

在制定商业发射计划的同时，科学家们还在继续进行PDK生产过程的技术经济合作。尽管回收PDK的成本已经被预测为具有竞争力的低成本，科学家们正在努力进行额外的改进，以降低原始PDK的成本，这样企业就不会被最初的投资价格吓到。

事实上，科学家们正在同时向前迈进两步。Scown同时也是联合生物能源研究所（JBEI）生命周期、经济和农学副总裁，赫尔姆斯正与伯克利实验室和加州大学伯克利分校的领先合成生物学家、JBEI首席执行官杰伊·凯斯林（Jay Keasling）合作，设计一种利用微生物前体成分生产PDK聚合物的工艺。该工艺目前使用工业化学品，但最初设计时考虑到了凯斯林的微生物，这要归功于一个偶然发现跨学科研讨会。

“在我们开始PDK项目前不久，我参加了一个研讨会，杰伊描述了他们在JBEI用他们的工程微生物可以制造的所有分子，”赫尔姆斯说。“我非常兴奋，因为我看到一些分子是我们放在PDK中的东西。杰伊和我聊了几句，我们意识到几乎整个聚合物都可以用工程微生物发酵的植物材料制成。”

“未来,我们将引进生物组件,这意味着我们可以开始了解过渡的影响与传统原料独特而可能得天独厚的生物原料可能更可持续的长期能源的基础上,碳,或水生产和回收,强度”赫尔姆斯继续说。“因此，我们现在所处的位置，是许多人迈出的第一步，我认为我们面前有一条非常长的跑道，这是令人兴奋的。”

分子铸造厂是能源部(DOE)科学办公室专门从事纳米科学的用户设施。亚博老虎机网登录JBEI是由美国能源部科学办公室资助的一个生物能源研究中心。亚博老虎机网登录

这项工作得到了美国能源部生物能源技术办公室和伯克利实验室实验室指导研发(LDRD)计划的支持。

来源:http://www.lbl.gov/