美国科学家正在开发更环保的可生物降解生物基塑料
美国伦斯勒理工学院化学教授 Richard Gross：合成塑料使现代生活的许多方面更便宜、更安全、更方便。但是，我们未能弄清楚在使用它们后如何摆脱它们。
与其他形式的垃圾（如食品和纸张）不同，大多数合成塑料不易被活微生物或通过化学过程降解。因此，日益严重的塑料垃圾危机威胁着我们星球的健康。它体现在大太平洋垃圾带——一个巨大的浮动塑料垃圾区，面积是法国的三倍，在加利福尼亚和夏威夷之间延伸。科学家估计，如果目前的趋势继续下去，到2050年，海洋中的塑料质量将等于鱼类的质量。用石油制造塑料也会增加大气中的二氧化碳含量，从而导致气候变化。
我的大部分工作都致力于寻找制造和分解塑料的可持续方法。我的实验室和其他实验室在这两个方面都取得了进展。但这些新的替代品必须与已经建立基础设施和优化工艺的合成塑料竞争。如果没有政府的支持性政策，创新的塑料替代品将难以跨越所谓的“死亡之谷”，从实验室进入市场。
从木材和丝绸到尼龙和有机玻璃
所有塑料都由聚合物组成——包含许多小单元或单体的大分子，连接在一起形成长链，就像珠子串一样。珠子的化学结构和将它们连接在一起的键决定了聚合物的性质。一些聚合物形成坚硬而坚韧的材料，如玻璃和环氧树脂。其他的，如橡胶，可以弯曲和拉伸。
几个世纪以来，人类一直用天然来源的聚合物制造产品，如丝绸、棉花、木材和羊毛。这些天然塑料在使用后很容易被微生物降解。
从石油中提取的合成聚合物是从 1930 年代开始开发的，当时迫切需要新的材料创新来支持二战中的盟军。例如，1935年发明的尼龙取代了降落伞和其他齿轮中的丝绸。聚（甲基丙烯酸甲酯），称为Plexiglas，取代了飞机窗户上的玻璃。当时，很少考虑是否或如何重复使用这些材料。
现代合成塑料可分为两大类：热塑性塑料，加热时软化，冷却后再次硬化，以及热固性塑料，一旦成型就永远不会软化。一些最常见的大容量合成聚合物包括聚乙烯，用于制造薄膜包装和塑料袋；聚丙烯，用于形成可重复使用的容器和包装；以及聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），用于衣服、地毯和透明塑料饮料瓶。
回收挑战
如今，美国只有大约10%的废弃塑料被回收利用。加工商需要无污染或纯塑料的输入流，但废塑料通常含有杂质，例如残留的食物。一批废弃的塑料产品还可能包括多种树脂类型，并且通常在颜色、形状、透明度、重量、密度或尺寸上不一致。这使得回收设施很难按类型对其进行分类。
熔化和重整混合塑料废物会产生性能不如原始材料的回收材料。出于这个原因，许多人将塑料回收称为“降级回收”。
正如大多数消费者所知，许多塑料制品都印有代码，指示它们是由三个箭头组成的三角形内的树脂类型，编号为 1 到 7。这些规范由塑料工业协会于 1980 年代制定，旨在说明是否以及如何回收这些产品。
然而，这些标志具有高度误导性，因为它们表明所有这些商品都可以无限次回收。事实上，根据环境保护署的数据，2015年的回收率从PET（SPI代码1）的31%到高密度聚乙烯（SPI代码2）的10%不等，其他群体最多只有几个百分点。
在我看来，一次性塑料最终应该被要求是可生物降解的。为了实现这一目标，家庭应该有生物垃圾箱来收集食物、纸张和可生物降解的聚合物废物进行堆肥。德国有这样的系统，旧金山对家庭和企业的有机废物进行堆肥。
设计更环保的聚合物
由于现代塑料具有多种类型和用途，因此需要多种策略来取代它们或使其更具可持续性。一个目标是用生物基碳源而不是油制造聚合物。最容易实施的选择是将植物细胞壁（木质纤维素）中的碳转化为单体。
例如，我的实验室开发了一种酵母催化剂，该催化剂采用植物衍生的油并将其转化为具有类似于聚乙烯特性的聚酯。但与石油基塑料不同，它可以被堆肥系统中的微生物完全降解。
还必须开发新的具有成本效益的路线，将塑料分解成可重复使用的高价值化学品。这可能意味着使用生物和化学催化剂。一个有趣的例子是来自粉虫的肠道细菌，它可以消化聚苯乙烯，将其转化为二氧化碳。
其他科学家正在开发高性能的三聚体——一种热固性塑料，其中交联链的键可以形成和断裂，具体取决于温度或pH等内置条件。这些三聚体可用于制造坚硬的模塑产品，这些产品可以在其使用寿命结束时转化为可流动的材料，从而可以将其改造成新产品。
经过多年的研究、开发和营销，优化合成塑料。新型绿色聚合物，如聚乳酸，刚刚开始进入市场，主要用于堆肥袋、食品容器、杯子和一次性餐具。制造商在降低成本和提高性能时需要支持。将学术和工业努力联系起来也至关重要，这样新发现才能更快地商业化。
今天，欧盟和加拿大为生物基和可持续塑料的发现和开发提供了比美国更多的政府支持。如果美国想在可持续聚合物革命中竞争，这种情况必须改变。
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