塑料几乎是我们日常生活中密不可分的一部分。在美国,平均每人每年产生约100公斤塑料垃圾,其中大部分直接进入了垃圾填埋场。劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley National Laboratory)的科琳·斯考恩(Corinne Scown)、布雷特·赫尔姆斯(Brett Helms)、杰伊·科斯林(Jay Keasling)和克里斯汀·佩尔松(Kristin Persson)领导的团队着手改变这一现状。


不到两年前,赫尔姆斯宣布发明了一种新的塑料,可以正面解决垃圾危机。这种材料被称为聚二酮烯胺或PDK,它具有传统塑料的所有便利特性,同时避免了环境缺陷,因为与传统塑料不同,PDK可以无限回收,且质量没有损失。

研究人员发明新的PDK塑料 可以无限期回收而不会降低质量

现在,该团队发布了一项研究,该研究显示了如果制造商开始大规模使用PDK,到底可以完成哪些工作?基于PDK的塑料可能会很快与传统塑料在商业上竞争,随着时间的流逝,这些产品将变得更便宜、更可持续。


塑料从未被设计成可回收的。该报告的第一作者、曾与资深作者科琳·斯考恩共事的博士后内米·沃拉(Nemi Vora)解释说,但是推动可持续发展是这个项目的核心。PDK从一开始就被设计为可循环利用的材料,从一开始,该团队就致力于改进PDK的生产和回收过程,使这种材料能够廉价和容易地应用于从包装到汽车的任何商业规模。


该研究为年产2万吨PDK的工厂提供了一个模拟,该工厂生产新的PDK,并吸收使用过的PDK废料进行回收利用。作者计算了所需的化学投入和技术,以及成本和温室气体排放,然后将他们的发现与生产传统塑料的同等数字进行比较。


如今,在行业中采用循环经济的做法有很大的推动作用。每个人都试图回收他们在市场上推出的任何东西。我们开始与工业界讨论使用100%的无限回收塑料。


问题是它的成本是多少,对能源使用和排放的影响是什么,以及如何实现我们今天的目标,Helms补充说,他是伯克利实验室分子铸造的工作人员。我们合作的下一个阶段就是回答这些问题。


到目前为止,已经生产了超过83亿公吨的塑料材料,其中绝大多数都被扔进了垃圾填埋场或垃圾焚烧厂。一小部分塑料会被“机械”回收,这意味着它们会被熔化,然后重新塑造成新产品。然而,这种技术的好处有限。塑料树脂本身是由许多相同的分子(称为单体)结合成长链(称为聚合物)组成的。


然而,为了使塑料具有多种质地、颜色和性能,热稳定剂和阻燃剂等添加剂被添加到树脂中。当许多塑料一起熔化时,聚合物与大量潜在不相容的添加剂混合,导致新材料的质量远远低于由原材料生产的新树脂。因此,只有不到10%的塑料被机械回收,而回收塑料通常也含有原始树脂来弥补质量的下降。


PDK塑料完全避开了这个问题。树脂聚合物被设计成与酸混合时很容易分解成单个单体。然后,这些单体可以从任何添加剂中分离出来,并在不降低质量的情况下合成新的塑料。该团队早些时候的研究表明,这种“化学循环”过程对能源和二氧化碳排放都很轻,而且可以无限重复,创造出一种完全循环的材料生命周期,而这种生命周期目前只有一次。


然而,尽管有这些不可思议的特性,要真正击败塑料,PDKs也有点问题。回收传统的石油基塑料可能很难,但制造新塑料很容易。


斯考恩说,我们说的是基本上不能回收的材料。因此,就吸引制造商而言,PDKs并不是与回收塑料竞争,而是与原始树脂竞争。我们很高兴看到这种材料的循环利用既便宜又高效。


斯考恩是伯克利实验室能源技术和生物科学领域的一名专职科学家,专门研究新兴技术对未来环境和金融影响的建模。斯科恩和她的团队从一开始就致力于PDK项目,帮助赫尔姆斯的化学家和制造科学家团队选择原材料、溶剂、设备和技术,从而生产出最实惠和环保的产品。


她说,我们正在采用早期的技术,并设计它在商业规模运营时的样子,使用不同的投入和技术。这种独特的协作建模过程使伯克利实验室的科学家能够识别潜在的扩大挑战,并在没有昂贵的反复试验和错误的情况下进行流程改进。


该团队的报告发表在《科学进展》杂志上,该报告根据PDK目前的发展状况,对PDK的商业规模生产和回收管道进行了建模。

研究人员发明新的PDK塑料 可以无限期回收而不会降低质量

计划推出


由于工艺建模的优化,回收PDKs已经吸引了需要塑料来源的公司的兴趣。赫尔姆斯和他的同事们一直着眼于未来,从项目初期开始就一直在进行市场调查,并与业界人士会面。他们的调查显示,PDKs的最佳初始应用是制造商将在其使用寿命结束时收回产品的市场,例如汽车工业(通过置换和回收)和消费电子产品(通过电子垃圾项目)。


有了PDKs,工业界的人们现在有了选择,赫尔姆斯说,我们正在引入合作伙伴,让他们在产品线和制造能力中构建循环,并为他们提供符合未来最佳实践的选择。


斯考恩补充说,一些国家计划对使用非回收材料的塑料产品收取高额费用。这一转变将为放弃使用原始树脂提供强大的财政激励,并将推动对再生塑料的大量需求。


在渗透到汽车和电子产品等耐用产品市场后,该团队希望将PDKs扩展到寿命较短的一次性产品,如包装。


一个完整的循环未来


在制定商业投放计划的同时,科学家们还将继续在PDK生产过程中进行技术经济合作。尽管预计再生PDK的成本将具有竞争优势,但科学家们正在努力进行其他改进,以降低原始PDK的成本,从而使公司不受初始投资价格的束缚。


诚然,科学家们正在同时向前推进两个步骤。斯科恩(Scown)也是联合生物能源研究所(JBEI)的经济学和农学副总裁,而赫尔姆斯(Helms)正在与伯克利实验室的首席合成生物学家杰伊·基斯林(Jay Keasling)和加州大学伯克利分校兼JBEI首席执行官合作,制备微生物的前体成分生产PDK聚合物的方法。该工艺目前使用工业化学品,但由于偶然的跨学科研讨会,最初设计时考虑了Keasling的微生物。


赫尔姆斯说,在我们开始PDK项目之前不久,我在一个研讨会上,描述了他们可以用工程微生物在JBEI上制造的所有分子。而且我感到非常兴奋,因为我看到其中一些分子是我们放入PDK中的东西。我和Jay进行了几次聊天,我们意识到几乎所有的聚合物都可以使用经过工程微生物发酵的植物材料制成。


将来,我们将引入该生物成分,这意味着我们可以开始理解从常规原料向独特且可能是优势的生物基原料过渡的影响,这些原料在长期的基础上可能更具可持续性。赫尔姆斯继续说道,因此,这是许多步骤的第一步,我认为我们面前还有很长的路要走。


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