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能自动“消失”的塑料:解决海洋塑料污染的新渠道

  文章加入时间:2018年7月


  中国科学报见习记者 高雅丽 19世纪,塑料诞生了,这被称为人类最伟大的发明之一。但由于白色污染越来越严重,塑料变成了“最糟糕”的发明。据统计,全球每年塑料废弃物约3000万吨,其中超过800万吨的塑料垃圾被直接丢弃或从陆地通过河道、风力最终进入海洋,塑料污染对海洋环境造成的损害远远超过了人们的想象。
  近日,在深圳举行的第一届“率先杯”未来技术创新大赛决赛上,中科院理化所工程塑料国家工程研究中心的团队展示了一种海水中可降解材料,可以有效解决海洋塑料污染问题。该项目也是最终获得优胜奖的30个项目之一。
  从生物降解塑料得到启发
  塑料垃圾来自于何方?上班路上快餐店里顺带早餐的一个塑料袋,中午快递小哥送来的一个包裹袋,又或者是洗澡时沐浴露里的塑料颗粒等等,在很多意想不到的地方,每个人都会制造出许多塑料垃圾。
  为了解决白色污染的问题,中科院理化所工程塑料国家工程研究中心研发出了一种“生物降解塑料”,不仅让塑料产品用起来得心应手,使用之后还能“自动消失”。
  中科院理化所工程塑料国家工程研究中心主任、研究员季君晖对《中国科学报》记者说:“生物降解塑料大都是含酯键的高分子材料,分子链相对‘脆弱’,因而可以被自然界许多微生物分解、消化,最终形成对环境无危害的二氧化碳和水。”
  目前,已经商品化的生物可降解塑料包含聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)及其共聚酯(PBAT)、聚己内酯(PCL)和聚羟基烷酸酯(PHA)等。这些材料已经成为公认的、绿色的可完全生物降解材料,在一次性包装、地膜、一次性餐具等众多领域开始逐渐替代聚丙烯(PP),聚乙烯(PE)等难降解、不降解塑料制品。
  在解决陆地上的白色污染问题的同时,日趋严重的海洋塑料污染又引起了季君晖的注意。“2016年起,全球范围对于海洋塑料污染的报道铺天盖地,因为我们前期有很多生物可降解塑料研发经验,我们立即产生了研发海水可降解材料的念头。从材料角度,当时国内外并没有任何经验可借鉴,但因为我们是做降解塑料的,我们觉得这个事情有义务去完成。”季君晖表示。
  技术创新实现海洋降解
  确定开发海水可降解材料的课题方向后,中科院理化所高级工程师王格侠开展了系统的研究工作。通过多次试验对比,他们发现,在土壤和堆肥中有良好生物降解性能的材料,在海水中的降解速率却不尽如人意。
  王格侠说:“我们本以为这是一件比较容易的事情,把生物降解材料稍微作一下改性,就可以适应海洋环境了,但现实却泼了一盆冷水。”
  这究竟是怎么回事呢?经过仔细研究,王格侠找到了答案。“聚酯材料堆肥过程是微生物作用下的酶促水解反应;而海水温度低、特异性微生物种类少、数量少,很难具备生物降解的条件,因而大多数聚酯材料在海水中降解周期非常缓慢,甚至难以降解。”
  王格侠介绍道,海水中不同区域不同时期差异巨大,想要材料在可控的周期内能够完全降解,单纯依靠生物降解过程是走不通的。我们面临的难题是:既要解决现有材料海水中难降解、不降解的问题,还要根据不同应用需求,使材料满足一定的使用性能和环境适应性。
  经过多次反复实验,王格侠和团队成员成功走出了这个困境。他们从分子设计和两相合成出发,通过聚合物合成改性和共混改性两种方式,向生物降解聚酯体系中引入非酶水解的基团,实现了材料在海水中整体可控降解。
  “现在我们研发出的海水可降解材料可以在数分钟到几百天内不同周期实现崩解或降解,它的降解周期和降解方式可以根据不同应用需求进行调控,未来我们希望这种材料的降解模式能够智能化。”王格侠表示。
  应用市场前景广阔
  从1999年开始涉足降解塑料研究开始,经过近20年的积累,工程塑料国家工程研究中心通过技术转移转化,自主研发一步法PBS/PBAT聚合技术,已完成4家企业技术授权,其中3家顺利投产,总产能7.5万吨,占全球12.6万吨的55%。
  “在2008年北京奥运会期间,为奥林匹克中心园区量身打造的可生物降解环保袋,如今已经形成了相对比较成熟、稳定的降解塑料产业链,这也为海水可降解材料产业化奠定了坚实基础。”季君晖告诉记者。
  王格侠表示,未来海水可降解材料可以替代现有的一次性塑料制品,尤其在远航期间,可以有效解决塑料垃圾的处理问题,减少垃圾对海洋的污染。除此之外,特殊功能化的程序降解材料还能在信息安全、能源供给、水产养殖等领域大显神通。
  季君晖说:“从汽车改性塑料,到家电的抗菌材料研发,我们积累了众多产业转化的经验。我们现在不仅有技术,还有生产线,未来海水可降解材料的产业化路径前景良好。虽然短期内生产成本会比普通塑料高,但是当原料、工艺、生产规模达到一定水平后,成本一定会降下来。”
  季君晖同时表示,“限塑令”并不能从源头上解决白色污染问题,而可降解塑料是从材料的源头去解决根本性问题。“塑料污染防治是全社会受益的问题,不能只让消费者买单。我们希望政府和社会进行责任担当。”季君晖说。

文章摘编自:中国科学报


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