中國團隊變塑料瓶為動物生長促進劑 回收1噸能賺350美元

上傳時間:2021-12-24點擊:0

清華大學和北京化工大學研究團隊報告了一種升級回收PET塑料新方法:該方法能變廢為寶,具有經濟可行性,有助于管理塑料污染。

PET的化學全稱為聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET),具有質量輕、強度高、耐水等特性,常用于制作飲料瓶、衣物、地毯等。每年約生產7000萬噸PET塑料用于包裝和紡織品,其中只有一小部分(<20%)得到回收。

研究人員提供了一種可持續新方案:使用儲量豐富的金屬基催化劑,將PET塑料轉化為價值更高的化學材料二甲酸鉀——一種新興且安全的動物生長促進劑,以及清潔能源氫氣。

此研究于當地時間8月17日發布在國際知名學術期刊《自然-通訊》上,論文標題為《Electrocatalytic upcycling of polyethylene terephthalate to commodity chemicals and H2 fuel》(將PET電催化升級為商品化學品和氫氣燃料),論文通訊作者為清華大學化學系副教授段昊泓。

20世紀50年代初以來,人們生產的塑料已超過80億噸,其中79%的塑料被丟棄、堆積在垃圾填埋場或水體中,對環境和生物造成嚴重威脅。塑料回收對節約不可再生資源有重要意義,同時能夠減少二氧化碳排放。

傳統的塑料回收策略(如機械方法)成功率有限,回收率低于10%。而且與原始塑料相比,再生材料的性能較差,這通常叫做“降級回收”。

化學回收方法則通過將塑料廢棄物催化轉化為高質量單體或升級為增值產品,從而獲得更多價值?;瘜W回收方法主要取決于催化劑效率、過程的可持續性和盈利能力。

“實際上,塑料的閉環回收在反應上不是難點,其瓶頸在于整個工藝的經濟可行性。塑料化學回收主要包含三個過程:一、原料收集和預處理;二、催化轉化;三、產物分離?!逼渲?,過程一和三是成本和能耗的主要所在,而催化劑的貢獻主要在過程二中。段昊泓表示,“我們認為塑料回收的關鍵不只取決于催化劑,在增加產物價值、工藝優化、政策調控等各方面都至關重要?!?br>
論文稱,電催化可由可再生能源(太陽能、風能和水力發電)提供動力,這是一種可持續且有吸引力的方式,可在溫和條件下從陰極的水和陽極的有機化合物中產生清潔的氫氣。

電催化已經在各種有機化合物的高效轉化上取得很大進展。不過,將PET廢棄物電催化轉化為有價值的產品在很大程度上未得到探索。

“我們在這項工作中提出了電催化廢棄PET塑料升級再造的新策略,驗證了由廢棄PET制備高附加值的對苯二甲酸、二甲酸鉀和氫氣反應的可行性。通過工藝的整合以及產物價值的提高,使得該電催化PET升級再造策略具有潛在經濟可行性?!倍侮汇鼘ε炫刃侣劊╳ww.thepaper.cn)記者介紹道。

此項研究中,研究者展示了一種電催化策略,在氫氧化鉀電解質溶液中使用雙功能CoNi0.25P電催化劑,將PET轉化為具有高附加值的二甲酸鉀和對苯二甲酸的商品化學品,并產生副產物——氫氣。

具體而言:PET在堿性溶液中電解得到包括對苯二甲酸和乙二醇在內的單體,乙二醇在電解槽中通過陽極CoNi0.25P催化氧化以>90%的選擇性通過進行C-C鍵裂生成甲酸鹽,同時在陰極同一催化劑上產生氫氣。隨后,甲酸用作PET電解質的酸化劑,用于對苯二甲酸沉淀和過濾再生,所得液流通過濃縮和結晶轉化為固體二甲酸鉀。

a,PET回收的常規路徑
b,電催化 PET 升級為商品化學品和氫氣(此項研究的路徑)。
c,不同電流密度下b中路徑的技術經濟分析(TEA)
從催化劑的角度來看,地球鎳基和鈷基催化劑儲量豐富,它們達成了PET的高效升級回收和高產物選擇性,使得產物容易分離。

“在反應產物中,二甲酸鉀具有生物活性,能抑制大腸桿菌,沙門氏菌等有害微生物的繁殖,促進動物生長,是一種理想的非抗生素類飼料添加劑,可替代抗生素促生長劑,已于2001年由歐盟批準使用。隨著我國采取立法手段禁用飼料添加抗生素,二甲酸鉀在國內具有廣闊成長空間?!倍侮汇硎?。

研究者評估了這一過程的經濟可行性:在商業通用電流密度 (>300 mA cm2) 下,1噸廢舊 PET 的升級回收凈收入約為 350 美元。

PET升級回收
就技術的產業應用,段昊泓說,每一項科學技術從誕生到最終實現工業化都是一條漫長的過程。

“我們認為這項技術從實驗室規模邁向工業規模的關鍵之一在于流動反應器的設計和優化。目前我們正在開發的新型無膜電堆,具有成本低,可規?;葍烖c,已經取得一些進展,研究工作待發表?!倍侮汇f,“我們希望通過不斷地優化催化劑、反應器、操作條件等,最終實現廢棄資源轉化的工業應用?!?br>
此項研究工作可能為從塑料廢物中制備增值商品化學品和清潔氫氣燃料的盈利性和可持續發展開辟一條途徑。

關于PET 升級回收的下一步研究,段昊泓表示,“我們下一步將開發更高效的反應器用于規?;腜ET升級回收,開展低成本塑料單體回收工藝,發展PET轉化為其他高附加值產品新路徑,同時挑戰更有難度的聚乙烯等塑料的催化轉化?!?/p>




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