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行業(yè)動態(tài)industry trends

2024-11-01

光催化降解塑料:從污染到資源的新路徑

塑料,,作為20世紀(jì)最偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一,,被譽為現(xiàn)代工業(yè)的象征,,因其優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和耐久性,,塑料在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,。然而,,由于其降解周期長,、穩(wěn)定性強(qiáng),,塑料污染已成為全球環(huán)境問題的主要來源之一。

塑料處理的主要形式

機(jī)械回收是解決塑料回收的一種方式,,廢舊塑料經(jīng)過分類,、粉碎成聚合物顆粒,然后重新利用,,然而該方法雖然簡單可行,,但因為受熱引起的聚合物斷鏈或交聯(lián),最終降低了塑料的質(zhì)量,。熱解是一種將聚合物化學(xué)轉(zhuǎn)化為單聚體或其他小分子的替代方法,,這種方法通常需要惰性氣氛中高溫處理(>400℃),,耗費大量的能源。因此,,開發(fā)一種環(huán)保,、高效的塑料降解技術(shù)迫在眉睫。傳統(tǒng)塑料處理方法如填埋和焚燒,,不僅效率低下,,還可能帶來嚴(yán)重的二次污染。

光催化降解技術(shù)的潛力

在此背景下,,光催化降解技術(shù)因其可利用太陽光能,、低能耗及環(huán)境友好等優(yōu)勢,逐漸成為處理塑料污染的潛在解決方案之一,。在塑料及塑料衍生化學(xué)品的光催化降解中,,光催化產(chǎn)生的光生空穴可直接氧化塑料,光生電子和光生空穴與O?或H?O反應(yīng)形成的一些自由基,,如羥基和超氧自由基,,也可降解塑料及塑料衍生化學(xué)品。

光催化降解技術(shù)

光催化一站式解決文案

聚苯乙烯(PS)的光催化降解

聚苯乙烯(Polystyrene,,PS),,是指由苯乙烯單體經(jīng)自由基加聚反應(yīng)合成的聚合物,高于100℃的玻璃轉(zhuǎn)化溫度,,因此經(jīng)常被用來制作各種需要承受開水的溫度的一次性容器,,2018年聚苯乙烯行業(yè)年產(chǎn)能為339萬噸。由于其質(zhì)量?。ㄌ貏e是發(fā)泡型),、殘余價值低,聚苯乙烯不容易循環(huán)再生,。通常聚苯乙烯不能進(jìn)行回收,。將聚苯乙烯通過化學(xué)方法升級改造為目標(biāo)小分子,是減少塑料污染的理想方法,??的螤柎髮W(xué)Sewon OhErin E. Stache[1]利用催化劑控制的光氧化降解方法將聚苯乙烯升級為苯甲酰產(chǎn)品,主要是苯甲酸,。作者將聚苯乙烯PS(Mn = 89 kg/mol)與10 mol%的三氯化鐵混合于丙酮中,,在空氣流中,使用寬譜的LED光源照射混合體系20小時后,,發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯已經(jīng)被降解為了寡聚體,,數(shù)均分子量Mn = 0.8 kg/mol以及11 mol%的小分子產(chǎn)物包括苯甲酸、苯甲醛、苯甲酰氯以及苯乙酮等,。在白光照射下,,F(xiàn)eCl?發(fā)生均裂,生成氯自由基,,在聚合物主鏈上脫離出一個富電子的氫原子,。在富氧的環(huán)境下,高分子量的聚苯乙烯(> 90 kg/mol)降低至< 1 kg/mol,,并產(chǎn)生高達(dá)23 mol%的苯甲酰產(chǎn)品,。一系列機(jī)理研究表明,氯自由基通過解離氫原子促進(jìn)降解,。

光催化降解PS反應(yīng)機(jī)理

光催化降解PS反應(yīng)機(jī)理

聚乙烯(PE)的光催化降解

聚乙烯(Polyethylene,,PE)是一種多聚物,是一種化學(xué)合成材料,,具有耐腐蝕,、抗紫外線、耐久性好,、易加工,、重量輕等特點。因此,,聚乙烯廣泛應(yīng)用于塑料制品,、包裝材料、建筑材料等領(lǐng)域,。雖然聚乙烯有很多優(yōu)點,,但也有負(fù)面影響,如海洋垃圾,、土地污染和空氣污染,。光催化法是解決聚乙烯塑料污染的一種溫和有效的方法,。例如,,普林斯頓大學(xué)Robert R. Knowles[2]報道了一種光催化法,能夠?qū)⒘u基化高分子聚乙烯衍生物通過可見光光催化的方法實現(xiàn)在接近室溫的溫和反應(yīng)條件中進(jìn)行解聚合降解,,生成結(jié)構(gòu)明確的產(chǎn)物,,發(fā)展了一種能夠?qū)崿F(xiàn)聚合物循環(huán)的方法。

光催化降解PE反應(yīng)機(jī)理

光催化降解PE反應(yīng)機(jī)理

通過質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移PCET方法活化聚合物骨架結(jié)構(gòu)上的羥基,,生成具有反應(yīng)活性的烷氧自由基,,隨后促進(jìn)聚合物的碳鏈通過β-切斷反應(yīng)過程切斷C-C化學(xué)鍵。該解聚反應(yīng)過程生成產(chǎn)物結(jié)構(gòu)明確的混合物,,產(chǎn)物能夠衍生化生成一定聚合度的單體,。

聚氯乙烯(PVC)的處理

聚氯乙烯(Polyvinyl chloride,PVC) 是世界上產(chǎn)量第三大的合成聚合物塑料(僅次于聚乙烯和聚丙烯),每年生產(chǎn)大約4000萬噸,,應(yīng)用非常廣泛,,每年廢棄量約500萬噸,PVC垃圾焚燒會產(chǎn)生巨量的HCl氣體和致癌性極強(qiáng)的二惡英氣體,,對環(huán)境和健康造成巨大的影響,。北京大學(xué)馬丁教授、王蒙副研究員團(tuán)隊[3]通過催化過程實現(xiàn)了PVC和聚酯的共升級循環(huán)利用,,通過利用含氯離子液體作為催化劑/溶劑和ZnCl?作為催化劑,,成功將聚酯轉(zhuǎn)化為對苯二甲酸和1,2-二氯乙烷,從而解決了PVC含氯元素對催化劑的干擾問題,,實現(xiàn)了高產(chǎn)率的塑料升級循環(huán)利用,。本文使用離子液體作為介質(zhì)進(jìn)行PVC脫氯和HCl儲存。作者篩選了不同的離子液體,,發(fā)現(xiàn)Bu?PCl在從PVC中提取氯和吸收HCl方面表現(xiàn)最佳,。與無離子液體的情況相比,離子液體催化了脫氯過程的低溫反應(yīng),。

光催化降解PVC反應(yīng)機(jī)理

光催化降解PVC反應(yīng)機(jī)理

結(jié)論與展望

除了光催化降解PS,、PE和PVC,其他塑料垃圾可以通過光催化法實現(xiàn)降解處理,,如催化解決聚丙烯(PP),、聚酯(PET)聚氨酯(PU)等都受到了極大的研究關(guān)注。光催化降解塑料是一項潛力巨大的環(huán)保技術(shù),,通過光能和催化劑協(xié)同作用將塑料廢物分解為無害或有用的小分子產(chǎn)物,。然而,目前該技術(shù)在效率,、產(chǎn)物選擇性,、催化劑設(shè)計等方面仍面臨挑戰(zhàn)。反應(yīng)器設(shè)計需優(yōu)化光傳輸路徑與催化劑接觸面積,,以提高光能利用率,;廢舊塑料的分類與前處理方面,機(jī)械粉碎,、表面氧化,、以及化學(xué)預(yù)處理可以增加塑料表面活性,增強(qiáng)其與催化劑的接觸,。未處理的塑料由于其疏水性和化學(xué)惰性,,往往難以有效降解。在產(chǎn)物選擇性方面,,未來應(yīng)通過調(diào)控反應(yīng)條件和催化劑,,減少有害副產(chǎn)物并提高高附加值化學(xué)品的產(chǎn)出,。同時,催化劑設(shè)計是該領(lǐng)域的關(guān)鍵,,開發(fā)寬光譜吸收的新型催化劑有望提升效率,。結(jié)合其他技術(shù),如電催化,、熱催化和生物降解,,或能進(jìn)一步增強(qiáng)光催化效果。整體來看,,光催化降解塑料在解決全球塑料污染問題上具有廣闊前景,,但還需在技術(shù)細(xì)節(jié)和大規(guī)模應(yīng)用上進(jìn)行深入研究和改進(jìn)。

 

參考文獻(xiàn)

[1] Oh, Sewon, and Erin E. Stache. "Chemical upcycling of commercial polystyrene via catalyst-controlled photooxidation." Journal of the American Chemical Society 144.13 (2022): 5745-5749.

[2] Nguyen, Suong T., et al. "Depolymerization of hydroxylated polymers via light-driven C–C bond cleavage." Journal of the American Chemical Society 143.31 (2021): 12268-12277.

[3] Cao, Ruochen, et al. "Co-upcycling of polyvinyl chloride and polyesters." Nature Sustainability 6.12 (2023): 1685-1692.