塑料降解不需要再等 500 年!辐照 8 秒,微波 330 瓦,就能实现塑料变燃料!


近期,麻省理工学院(MIT)李巨教授课题组联合东华大学朱美芳院士、中国石化集团公司乔金樑教授、蒋海斌教授等,共同研发了用微波等离子体高温快速炭化塑料的新技术。

MIT领衔开发等离子体微波法 将“白色垃圾”变燃料

图丨相关论文(来源:Environmental Science & Technology)


4 月 6 日,相关研究以 “Self-Perpetuating Carbon Foam Microwave Plasma Conversion of Hydrocarbon Wastes into Useful Fuels and Chemicals” 为题发表在 Environmental Science & Technology。该论文通讯作者为李巨、朱美芳、乔金樑,第一作者是 MIT 博士后徐桂银。

MIT领衔开发等离子体微波法 将“白色垃圾”变燃料

图丨用碳泡沫微波等离子体处理白色污染的工业过程(来源:Environmental Science & Technology)


该团队研发了一种碳泡沫微波等离子体技术,该技术利用等离子体放电,在微波 330 瓦条件下,可使白色污染(电池废隔膜、未分类的塑料、废旧纺织纤维、废弃口罩等)辐射 8 秒钟后,转化为高价值气体原燃料和少量无机矿物和固体碳。


李巨表示,该技术的总体想法是通过流动式的微波,利用电价格较低的优势进行白色污染的处理。


“在将塑料转化为燃料后,含氢较多的气体就出来了,我们发现剩下的碳是纳米结构,可以像自繁殖一样继续放电,且效率比以前高。而塑料里的一些无机物的颗粒,比如氧化硅、氧化铝,最后可以同碳一起,像煤那样埋在矿坑里。”


用等离子体产生的高温处理废塑料


徐桂银对 DeepTech 表示,“我原来研究的领域是能源,在做实验的时候与李巨教授商量,可以尝试一下隔膜。因为隔膜里面有很多有毒的物质,比如说有机电解液、氟化锂等。用常规的化学循环,会对设备损坏污染、对人员有一定危害,所以考虑了这个方法。”


乔金樑认为,这项研究最核心的技术是李巨教授提出用等离子体处理废塑料。“这是将技术上升到理论的新高度,而在此之前我们没考虑过加热是什么原理。当了解到由等离子体产生的高温来废塑料降解后,也就知道如何能更容易产生等离子体。”


这项研究过程中面临两个挑战性的问题:装置的安全性和碳材料的选择。“我们把装置设计在微波炉里,其实它是局部放热的,那么只要将碳存在的地方,做好安全防护问题就可以。”徐桂银说。


碳材料的选择是研究团队面临的另一个挑战,在碳材料的选择上,研究团队尝试了碳泡沫、价格较高的碳纳米管和价格较低的石墨等材料。


在实验过程中,研究人员发现其他碳材料产生的热没有碳泡沫(碳气凝胶)效果好。并且碳纳米管或石墨等材料产生的等离子体是间断性的,而碳泡沫可以持续放热。


此外,产生等离子体过程中会有震动的现象,如果碳材料容易被震碎或者在高温条件下机械性能不好,则会导致处理过程效果不佳而影响其使用寿命。


综合来看,碳泡沫具有良好的表观电导率,并且孔隙率较好,能充分吸收微波。在多种材料实验和比较后,研究团队选择了碳泡沫作为诱导等离子体的材料。


等离子体微波法:一种能将白色污染 “吃干榨净” 的方法


由于塑料用量和随新冠疫情爆发的医疗废物激增,白色污染对人类的可持续发展和生态系统构成了严峻挑战。


当前回收白色废物的方法,有化学回收、物理回收和焚化,需要预分选和洗涤或释放二氧化碳。乔金樑表示,近几年,物理回收的局限性已经显现,大概只能处理 10% 废塑料,且需要预分选,成本高。


而化学循环则需要催化剂,因催化剂的寿命限制,使得化学循环的发展受限。“催化剂对于原料要求较高,在前期对于原料的预处理的条件要求会比较苛刻,并且在处理过程中对环境的条件要求也非常高。如果处理不好,催化剂就容易失活。所以,化学循环处理方法的成本较高。” 蒋海斌告诉 DeepTech。


无法回收的废塑料通常用掩埋和焚化的方法进行处理,不可降解的塑料在自然循环降解一般需要 500 年以上。这种方法无论对人类、动物还是海洋生物都会有长期的危害。


而等离子体微波法在塑料掩埋的处理上也能发挥积极作用。经过等离子体微波法处理塑料,转化后的气体产物有氢气、一氧化碳、甲烷、乙烯、丁烯等,其中以氢气及一氧化碳为主,占气体总体积 50% 以上。


李巨表示,通常在焚烧过程中会产生大量二氧化碳,而该技术可以将塑料转化成有用化工原料气体,主要是氢气和一氧化碳,另外处理剩余的固体可以填埋挖空的矿井做成人造煤,这也顺应了目前提倡的碳减排、碳中和的方向,营造 “无废时代”。


“我们现在目前成功实验了口罩及工业上的废弃物,其实农场上也有很多废弃物需要回收。比如含氮的鸡毛、含氮的生物质等。将来,可以利用等离子体微波法把这些成分转化为化工原料,从而实现废固再利用。” 乔金樑说。


与传统的化学、物理处理方法对比,等离子体微波法的优势如下:


第一,处理白色污染不需进行预分选或洗涤,有利于低成本大规模应用。


“分类会增加回收成本,大规模工业化的可能性就比较难。而等离子体微波法最大好处是不需要分类,无论什么成分的废料经过该方法都会被气化,这是该技术将来能够工业化的最大的优势。” 乔金樑说。


第二,适用范围广,能用于所有的材料。乔金樑表示,不仅适用于塑料、橡胶、纤维等合成材料,对于所有的有机废物(包括气体、液体)都是适用的。


徐桂银表示,这次新冠疫情爆发,面临很多废旧口罩处理的问题。“新冠病毒附着在口罩上,如果人们直接接触这些废弃口罩,就会有被感染的可能,用一些常规的技术处理也可能会有污染,而等离子体高温处理不仅解决了污染的问题,同时还能将细菌转换成燃料。”


第三,具有连续性,且利用率高达 85%。这项技术最大的好处是可以随时停、随时开。“它解决了太阳能、潮汐能、风能等因间歇性而难以入网利用的问题,实现把绿色的能源真正有效地利用起来,是最节能、可持续的方法。所以,它可以成为一种新的储能方法。” 乔金樑说。


第四,可分离有机物和无机物。李巨认为,该方法是将塑料转化成小分子气体,裂解的碳沉积在原来的泡沫上。这样,分离了有用成分和污染物,将污染物固化。


乔金樑告诉 DeepTech,目前很难解决一些材料的回收,例如风能发电、碳纤维的复合材料、线路板等,而等离子体微波法可以真正地形成绿色循环。


未来应用:距离实现工业化还有多远?


MIT领衔开发等离子体微波法 将“白色垃圾”变燃料


乔金樑表示,这项技术最终的想法就是要做 “全循环”,将矿物质转化成人们要用的东西,实现大量回收。而不能回收的部分,可以通过微波法把它回收变成有用的气体和没有危害、甚至有用的成分。


比如碳材料可以转化为炭黑,用于橡胶制品或者塑料制品,实在没用的再做掩埋处理。所以,这是一种将白色污染全部 “吃干榨净” 的方法。


等离子体微波技术是多学科交叉、多单位合作下共同推动完成。


李巨是材料科学家、MIT 终身教授。曾获 2005 年美国 “青年科学家工程师总统奖”,2006 年材料学会杰出青年科学家大奖,2007 年度《技术评论》杂志 “世界青年创新(TR35)奖”,2009 年美国金属、矿物、材料科学学会 (TMS) “Robert Lansing Hardy” 奖。入选汤森路透 / 科睿唯安全球高被引科学家及 Webometrics h>100 名单。2014 年被选为美国物理学会(APS)会士,2017 年入选材料研究学会( MRS )会士,2020 年入选美国科学促进会(AAAS)会士。


朱美芳是中国科学院院士、发展中国家科学院院士。现任东华大学材料科学与工程学院院长、纤维材料改性国家重点实验室主任。


乔金樑是中国石化集团公司首席专家,曾任北京化工研究院副院长等职,从事基于基础研究的技术创新工作近 40 年,取得多项原创成果。他已获国内外授权发明专利 380 多件,发表 SCI 论文 120 余篇。


徐桂银在 MIT 从事博士后研究工作,研究方向为功能纤维与隔膜材料在能源储存与环境修复中应用。


乔金樑表示,该技术对环境的资源回收利用提供了新的思考。例如,液体和气体的废弃物都可以通过等离子体微波法进行转换。


朱美芳认为,等离子体微波法是 “变废为宝、低碳环保” 的新技术。无论从理论深度还是技术先进性,都是非常有工业化应用前景的新方法。


“我认为,对塑料制品(包括化学纤维制品)的大规模的低碳回收利用是非常重要的方向,应该去寻找更合适、更科学的合作来更好地发展。技术如果走向工业化可能将面临很多新的挑战,但是未来可期。希望在市场驱动和社会需求下,加强各方面合作,真正地把先进的科学技术造福人类。” 朱美芳说。


期望做 “取之不尽用之不竭” 的全循环


在处理秸秆过程中,如果焚烧它会造成很大的环境污染,如果埋它的话,地质也要受到破坏。乔金樑认为,下一步应该扩展对秸秆的处理技术。


“现有技术处理三大合成材料的难度还是比较大,如果未来能用等离子体微波法处理秸秆,那么太阳能产生秸秆,秸秆又可以转化成我们需要的能源,这才是可持续发展模式,是‘取之不尽用之不竭’的全循环。” 乔金樑说。


朱美芳认为,在特殊环境、极端环境下材料的研究是未来研究重点。“微波引起局部温度的快速提高,在航空航天领域等都会有广阔的应用前景。如果温度达到 3000K 下长时间工作,实际上没有任何材料能承受那么长的时间,但是在很短的时间达到某个极高的温度再引起反应,正是这个技术的关键所在。”


李巨认为,等离子体微波法是很有必要深入研究的课题,因其悬浮的尖端放电,所以下一步应聚焦粉尘的问题,即如何减少或完全消除粉尘在气体的漂浮。


“应思考如何能用最少的电能降解最多的有机物,在利用电能的有效性上,我认为还有很大的优化空间。如果这项技术真正走向大规模工业化,怎么能够既有流动性,又能将气体、固体有效地分离将会是研究的重点。”


文章来源: DeepTech深科技

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