撰文丨小纳米

校审丨南方

编辑丨Bo

1907年，全合成塑料问世。

2020年，全世界每年生产大约3.59亿吨塑料，90%左右来源于石油。其中，有1.5-2亿吨（甚至更多）被丢弃在垃圾填埋场或自然环境中。

塑料在包装、建筑、运输、电子和医疗保健行业中有着广泛的用途，这些应用中有许多依赖于塑料作为廉价的一次性材料。然而，它们的大规模生产、一次性使用、分解速度慢以及对敏感生态系统的破坏，造成了日益严重的塑料垃圾危机。尽管只有一小部分进入河流，湖泊和海洋，但已经足够转化为对水生生物有害的微米和纳米塑料。当塑料垃圾被掩埋或焚化时，会产生大量的热量和二氧化碳排放。

图丨National Geographic

全球面临的重大环境问题，包括全球变暖，水体污染，空气污染，森林锐减等等，很大一部分是由我们每天生产的塑料垃圾导致的。

塑料垃圾已经给生物带来了很多灾难性的后果，许多物种因塑料的不可降解而逐渐锐减，甚至灭绝。塑料污染，已经成为关乎全人类和地球生物生存的关键问题。

塑料垃圾，无处不在

一百多年来，塑料已经无缝衔接到人类生活的方方面面，进入我们的工具，我们的衣服，甚至我们的身体。

快递包装中的塑料

快递，已经成为日常生活的一部分。据国家邮政局数据显示，仅2020年双十一期间，全国邮政和快递企业处理了39.65亿件快递。其中，塑料类快速包装废弃物由于回收价值低，有99%都得不到有效利用。

海洋中的塑料

2020年12月，美国华盛顿大学（塔科马）Edward P. Kolodziej等人在Science报道了一种奇怪的现象。太平洋成年鲑鱼每年迁移到城市小溪繁殖时，都会因为暴雨出现无法解释的急性死亡。研究表明，这种异常现象主要来源于一种全球通用的轮胎橡胶抗氧化剂N-（1,3-二甲基丁基）-N'-苯基-对苯二胺（6PPD）的高毒性衍生物。6PPD-醌有毒浓度LC50为0.8±0.16μg/L， 而数据显示，美国西海岸的代表性径流和受暴雨影响的小溪中普遍存在的6PPD-醌浓度范围为<0.3-19μg/ L。这项研究表明，废弃轮胎橡胶残留物对环境生态具有重大隐患。

微塑料

2004年，英国科学家Richard C. Thompson等人在发表Science论文，首次提出“微塑料”的概念，即直径小于5毫米的塑料碎片和颗粒。微塑料尺寸直径微小，和常规不可降解塑料相比，对环境和人类健康具有更大的危害。

在生态系统中，微塑料无处不在，但对人类的健康风险尚未可知。在一项关于环境科学与技术的新研究中，研究人员估计，人体平均每年吃进去超过5万个长度小于5毫米的微塑料碎片。加上其他影响，每年进入身体的的微塑料为74000-121000个颗粒。

印度理工学院最近的研究指出，一个一次性纸杯暴露在热液体中15分钟将会产生大约102亿个亚微米大小的颗粒。用纸杯喝一杯热水或者热咖啡，杯内的微塑料层发生降解，会有25000个微塑料颗粒被人喝到肚子里。

图丨塑料瓶

医疗废弃物中的塑料

2020年，全球疫情泛滥，也为塑料垃圾的治理带来了新的挑战。9月12日，Science针对疫情期间的医疗塑料污染，进行了深度报道。疫情期间，卫生保健工作者和服务人员对口罩、手套、防护服等个人防护设备需求大量增加，导致塑料污染加剧。据统计，2月份，中国一次性口罩的产量猛增至每天1.16亿，而美国在2个月内产生的医疗废物，有可能相当于之前一整年的用量。在新加坡为期8周的禁售期中，打包的外卖餐点和家庭配送的杂货则额外贡献了1400吨塑料废物。

因为疫情，全球塑料包装市场规模预计将从2019年的9092亿美元增长到2021年的10126亿美元，复合年增长率为5.5％。同时，疫情导致石油需求骤减，石油价格暴跌，使得用化石燃料生产纯净的塑料比回收利用还要便宜。

除此之外，常规的废物处理能力也带来了压力。目前，在海滩和海水中都观察到了与COVID-19相关的塑料，进一步加剧了减少微塑料的挑战。

一方面是用量大增，价格更加便宜；一方面是回用难度较大，成本居高不下，塑料回用，带来了更大的困难。

科技创新，各显神通

对于塑料污染，科学家从未掉以轻心！

近几年来，无论是Science、Nature，还是美国化学会C&EN，每一年的年度十大科学事件中，塑料污染有关的科学进展均赫然在列。2018年，化学家为解决塑料污染所开发的一系列可循环使用的高分子材料就入选美国化学会年度十大进展。Science、Nature等学术期刊更是对环保型可降解塑料的合成、塑料降解，以及塑料资源化回用技术予以重点关注。

仅2020年，塑料污染治理技术已经分别登上Science封面和Nature封面。其重要和紧迫程度，比石墨烯、钙钛矿和MOF等等领域有过之而无不及。

2020年Nature封面

2020年Science封面

塑料降解技术

1）开发新型可降解塑料

一般来说，塑料分为热塑性和热固性两大类。热固性材料中，聚合物分子通过共价键永久交联，是最难回收利用的塑料。因为，它太稳定了，很难通过热熔化或着溶液处理进行再成形以便循环利用。为了开发可以循环使用的热固性塑料，以节能的方式重塑而不会影响材料的优异耐化学性和耐热性，全球科学家想尽了办法。

2011年，法国科学家Ludwik Leibler带领的研究团队利用可重组的聚合物网络设计了一种成为玻璃陶瓷的热固性塑料。这种材料具有类似玻璃的流动性，可在加热时流动，因为共价键可在高温下发生重构。这使得玻璃陶瓷可以像热塑性塑料一样通过热处理再成形并最终回收利用，保留原始材料的力学性能。但是，由于在再加工过程中经常需要高温，导致动态热固性材料在每个使用周期都会降低效用。

图丨交换反应实现分子结构拓扑重排

2014年，来自IBM的Jeannette M. García和James L. Hedrick团队报道了一种可在酸性条件下低温解聚的热固性材料。这使得废弃塑料可以解聚成单体回收并用于重塑塑料，在闭环循环中使用。

图丨可逆的热固性塑料

2018年，来自科罗拉多州立大学的Eugene Y.-X. Chen团队开发了一种基于衍生自γ-丁内酯的五元环环状单体的聚合物，该聚合物可在环境温度和温和条件下生产。高分子量聚合物表现出高结晶度和热稳定性，在加热或氯化锌催化剂存在的较低温度下，聚合物可以解聚成起始单体并因此再循环到新材料中。

图丨可循环利用的塑料

2）开发新型塑料降解技术

然而，在新型环保可降解塑料投入实际应用之前，还需要开发能够产生100％单体转化率的聚合物，提高化学品的可持续性并使其适用于工业规模的工艺，并找到在混合塑料废料中解聚热固性材料的方法。

相比之下，将现有的塑料进行有效降解，可以先解决燃眉之急。

聚对苯二甲酸乙二酯（PET）是世界上最丰富的聚酯塑料，全球每年生产约7000万吨用于纺织和包装。PET是一种极难水解的聚酯，因为其芳香对苯二甲酸酯单元的比例很高，降低了链的流动性。PET的主要回收过程，是通过热机械手段，但这会导致机械性能的损失，性能降低可用性就不强了。所以导致的结果是，工业更希望重新合成PET，而不是回收，从而使得PET废料继续积聚，形成恶性循环。

2016年，日本科学家Kohei Oda发现一种称为Ideonella sakaiensis的细菌中的两种酶可以生物降解PET。2020年4月9日，法国图卢兹大学A. Marty、S. Duquesne和I. André等人进一步发现了一种改进的PET水解酶，该酶在10个小时内最终实现了至少90％的PET解聚为单体。PET最主要部分是对苯二甲酸，这种技术可以实现1吨PET废料可产生863千克对苯二甲酸，产率为每升每小时16.7克对苯二甲酸酯（200克/千克PET悬浮液，酶浓度为3毫克/克PET）。

基于工业方法，将对苯二甲酸单体纯化到高于99.8％的水平。在此过程中，每千克再生PET会产生0.6千克硫酸钠。通过该的新工艺，每年回收10万吨PET将产生约60,000吨硫酸钠，占全球硫酸钠市场的0.28％。最重要的是，基于此方法制造的生物回收PET塑料瓶，其性能与石油化学合成的PET塑料瓶品质相当。

塑料增值回用技术

化学品升级是塑料垃圾处理的一种新兴方法，它不仅仅将塑料降解单体，还可以使用塑料废弃物作为合成增值化学品和材料的原料，通过催化氧化或活化C-H键在聚合物链上增加官能团，从而改变材料的性质。

通过化学回收，可以将塑料气化，生产氢气和一氧化碳（合成气），作为燃料生产的原料。热解和溶剂分解途径可以将聚合物转化为单体和低聚物，纯化后再聚合。不幸的是，来自化石碳基原料的纯净单体成本低，缺乏监管激励措施，常常使其化学回收在商业上缺乏吸引力。

如果可以将塑料废物转化为高价值的化学产品，可大幅提高其经济价值，这为塑料废物的处理提供了巨大的机会。譬如使用废塑料制造的电池电极或光伏膜，或者将塑料废弃物选择性转化为琥珀酸，戊二酸和己二酸，进一步转化为增塑剂以加工聚乳酸（PLA）。

废塑料制烷烃
为了解决废弃塑料垃圾的增值回用问题，加州大学圣芭芭拉分校Susannah L. Scott等人报道了铂负载在γ-氧化铝上的催化剂，在无需添加溶剂或分子氢的条件下，通过串联催化转化将聚乙烯等各种大分子转化为低分子量的高价值产品。反应中几乎不产生轻气体，产物的质量分数最高可达80％。主要成分是高价值的平均链数约为30个碳原子且产率约为80％的长链烷基芳烃和烷基环烷酸酯。该方法证明了利用废弃塑料生产分子烃产品的可行性。

废弃塑料制石墨烯

开发一种真正能够大规模生产、低成本、高品质生产石墨烯的技术，是石墨烯在日常生活中广泛应用的重中之重。2020年1月28日，美国莱斯大学Rouzbeh Shahsavari, Boris I.Yakobson 和James M. Tour等人提出了一种利用垃圾实现低成本、高品质、规模化合成石墨烯的新技术。

通过高压放电，在100 ms内达到3000K的高温，只需要不到一秒钟的时间，就可以将煤、石油焦炭、生物炭、炭黑、废弃食品、橡胶轮胎、塑料废料等等富含碳的廉价原料转变为石墨烯， 石墨烯收率可以达到80-90%，不需要经过纯化，碳纯度就超过99%。这种石墨烯的制备过程中所使用的电能为7.2 kJ/g，生产一公斤石墨烯大概需要2°电，为废弃塑料的增值回收找到了一条新途径。

废弃塑料制烷烃

2020年，美国爱荷华州立大学Frédéric A. Perras、Aaron D. Sadow和黄文裕等人，受大分子解构酶的启发，开发了一种在介孔底部负载催化铂位点的有序的介孔壳/活性位点/核人工过程催化剂（mSiO₂/Pt/SiO₂）。研究发现，长烃大分子很容易在（mSiO2/Pt/SiO2）的孔隙内移动，随后的逸出受到聚合物-表面相互作用的抑制，这种行为类似于大分子在过程酶催化裂隙中的结合和转运。因此，用这种催化剂对聚乙烯进行催化氢解，产生可靠的、狭窄的、可调节的烷烃产物流。

废弃塑料制制氢和高值碳

2020年，英国牛津大学Peter Edwards教授，Tiancun Xiao，剑桥大学John Thomas报道了一种直接、快速的微波催化裂解方法，用于将各种塑料原料催化解构制氢和高价值碳。他们将机械粉碎的塑料（1-5毫米）的混合物与由氧化铁和氧化铝（FeAlOx）组成的添加剂（微波敏感）催化剂混合，然后进行微波处理。在30-90 s的时间内，将机械粉碎的商业塑料原料转化为氢气和少量含碳材料的残留物，其中大部分被鉴定为多壁碳纳米管。具有高达55.6 mmol g^-1_塑料的氢产率（理论上最高可达71.4 mmol g^-1_塑料），此外，从解构的塑料中提取氢气的理论质量超过97%。

保护地球，人人有责

在当前日益严峻的塑料污染情况下，要有所突破，需要从政策和科技两方面，双管齐下。限塑令的进一步严格，越来越多的科学家将加入到塑料污染治理的研究工作中，都为破局人类生存困境发挥重要推动作用。

然而，归根结底，还是要落实到每一个人的观念。保护环境，不只是为了别人，也是为了自己。

我们呼吁，每个人都减少使用一次性塑料制品。

保护环境，从我做起，我小做起。

毕竟，我们只有一个地球！

参考文献

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