化学家如何回收塑料？把链条剪断了，再重新连起来
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编者按
每年的6月5日是世界环境日，旨在鼓励全球居民提升环保意识、采取环保行动。在众多环境危机中，塑料污染问题尤为突出。如何能减少塑料废物的产生、应对塑料污染？让我们看一看化学家给出的答案。
轻便、价廉、用途广泛的塑料是我们日常生活中必不可少的材料，但同时也给地球带来了沉重的环境负担。据统计，全球每年产生的塑料垃圾超过3亿吨，如果不加控制，预计2050年海洋中的塑料垃圾将达到9.37亿吨，甚至会超过鱼类的总重量。
冷冰冰的数据背后，更是一幅幅触目惊心的画面：被塑料缠住的海洋生物、臭气熏天的塑料填埋场、飘着塑料瓶的河流……抗击塑料污染的战争迫在眉睫。
左图为被塑料缠住的海龟，右图为堆积如山的塑料瓶垃圾（图片来源：veer图库）
如何减少塑料污染，给地球减负？
解决塑料污染问题，在根源上需要减少塑料制品的使用。然而塑料已经渗透到我们日常生活的方方面面，很难在短时间内摆脱对塑料制品的依赖。因此，实现塑料的回收利用成为解决塑料污染的重要手段。
（图片来源：veer图库）
常见的塑料回收方法是物理回收，将废料经过粉碎、熔融、造粒等工序后再次加工为塑料制品。物理回收的实现成本较低，但如果塑料变质或与其他材料共混，回收的效率便会大大降低。回收过程中的机械、热等作用还会使得再生塑料品质性能下降，往往只能降级利用。
塑料的物理回收过程（图片来源：青岛能源所）
面对塑料回收问题，化学工作者们有他们的答案。除了物理回收，塑料还可以通过化学降解的方法进行化学回收。解铃还须系铃人，塑料的发明起源于化学家，引发的污染问题更需要化学家来解决。
“化”腐朽为神奇——塑料化学降解
从化学组成上看，塑料作为一种高分子材料，是由成千上万个单体聚合而成的聚合物链。化学降解是指通过化学手段将这些聚合物链打断或者重新组合，从而解聚为聚合初始单体或者转化为其他具有高价值的化学品与大分子。回收获得的单体可以重新聚合制备新的塑料材料，从而实现塑料循环利用，转化为其他化学品进行再利用也赋予了废旧塑料新的使用价值。
化学降解实现废旧塑料的高值化利用
（图片来源：青岛能源所）
来自于中国科学院青岛生物能源与过程研究所的科研人员对塑料化学降解循环利用技术进行了研发，为废旧塑料的回收利用提供了有效的解决方法，服务国家“双碳”战略实施。
我们可以从一些具体的例子中更深入了解塑料的化学降解回收。首先看向日常生活中常见的矿泉水瓶，它的主要成分是一种大宗塑料——聚对苯二甲酸乙二醇酯，简称PET。各种饮料的包装瓶基本都是由PET制成，而我们平时穿的聚酯纤维的衣服也是由PET纺丝后织成的。我国每年的PET需求量高达4000万吨，高效的回收利用将能极大地减少资源浪费。
饮用水的包装一般由PET制成
（图片来源：veer图库）
借助功能强大的催化剂，化学降解可以实现PET分子结构中酯键的断裂。例如PET在甲醇的作用下可以获得对苯二甲酸二甲酯（DMT）与乙二醇（EG），这两种化学品是PET合成的单体，可用于PET的重新再聚合，从而实现了PET的闭环循环利用。也可以在乙二醇的作用下获得双(2-羟基乙基)对苯二甲酸酯（BHET），同样可作为合成原料用于PET的重新合成。
而如果我们使用异辛醇来解聚PET，可获得化学品对苯二甲酸二辛酯（DOTP），这是一种性能优良的环保型增塑剂，将其添加到塑料中可以使塑料制品柔韧性增强、可加工性提高，可应用于聚氯乙烯、丙烯腈衍生物、橡胶、硝酸纤维素等材料的增塑。作为国家禁止的苯二甲酸二异辛酯(DOP)增塑剂的替代品，DOTP约占增塑剂市场需求量的30%，具有极为广阔的应用前景。
PET的化学降解（图片来源：青岛能源所）
饮水机常用的蓝色塑料水桶的原料也是一种广泛应用的塑料材料，它的名字叫双酚A型聚碳酸酯（BPA-PC或PC）。不过水桶只是这种塑料微不足道的角色，PC是一种具有优异的抗冲击性、耐热性等性能的工程塑料，在建筑板材、汽车车灯等领域都有PC的身影。
饮水机水桶多由PC材料制成（图片来源：veer图库）
PC 的回收需要特别重视，因为废旧的PC不只是浪费资源那么简单，如果未能及时处理而进入到环境当中，它会向环境中缓慢释放双酚A（BPA）。这是一种类雌激素，将会导致人体内分泌失调甚至可能引起癌症的发生。通过化学降解，可以一步将PC解聚为双酚A和碳酸二甲酯(DMC)，避免泄漏到环境中造成污染。同时回收的化学品可作为单体重新进入到聚合流程，从而高效实现PC材料的再利用。
PC的化学降解（图片来源：青岛能源所）
另一点值得注意的是，PC中的碳酸酯基可作为一种绿色羰基来源来制备一些含羰基的高附加值化学品，例如环碳酸酯、噁唑烷酮等，这些化学品可作为药物合成中间体、绿色溶剂等来使用。在传统的合成手段中，这些含羰基的化学品的合成通常需要光气（碳酰氯）等危险原料的使用，而利用PC化学降解则是一种更加绿色安全的选择。
生物降解的塑料，也需要化学回收吗？
近年来，以聚乳酸(PLA)为代表的可生物降解塑料的应用刮起热潮。聚乳酸是以乳酸为主要原料聚合得到的聚合物，由于良好的性能，逐步成为传统聚烯烃材料如聚乙烯PE的替代材料，在包装材料、纺织材料、餐具材料、3D打印材料等领域都得以推广应用。
聚乳酸共混物制造的作物用薄膜 （图片来源：wiki）
聚乳酸作为可生物降解塑料可以在自然环境中降解，对环境污染的威胁也就不复存在。不过生物降解通常需要以年为单位的时间，而且降解为二氧化碳和水，要经过长周期的光合固碳才能再次利用。而倘若我们采用化学降解的手段，将显著提升回收的价值和效率。
聚乳酸的降解主要有三种策略：
1.醇解策略。
通过醇解，废旧聚乳酸在几分钟以内就可以摇身一变，成为绿色溶剂乳酸烷基酯，被赋予新的应用价值。
2.解聚到单体策略。
聚乳酸由丙交酯开环聚合制备而成，通过化学方法可以让聚乳酸闭环解聚为环状单体丙交酯，最大化缩短了循环路径。
3.降解再聚合策略。
我们可以利用化学降解对聚乳酸的聚合物链进行精确裁剪并重新组合，以“聚合物到聚合物”方式实现聚乳酸废弃物到新聚乳酸材料的循环再利用过程。通过在再聚合过程中加入不同类型单体或与其他聚合物进一步发生再解聚，可以获得性质各异的最终材料。例如可制备聚乳酸-聚己内酯-聚乳酸三嵌段共聚物，这是一种具有高强度与断裂伸长率的热塑性弹性体。
聚乳酸的化学降解（图片来源：青岛能源所）
化学降解让废旧塑料有了千变万化的重新利用方式。让我们拿起化学降解这一利器，期待能彻底战胜塑料污染那天吧。
作者：徐广强 杨茹琳
单位：中国科学院青岛生物能源与过程研究所
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