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华东师大赵晨教授团队转化废弃塑料PET为汽车燃料和防冻液

2022年06月29日 学术卓越

  聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是最丰富的聚酯塑料,广泛应用于纺织品与包装行业,为人类生活带来极大便利。但每年约有千万吨的废弃PET排入海洋,水体以及海洋生物的健康受到微塑料的严重威胁。为解决白色塑料污染问题,实现废旧塑料的回收与再利用,近日,555000jc线路检测中心化学与分子工程学院教授赵晨及其团队在《自然-通讯》(Nature Communications)上于6月10日发表了以 " Converting waste PET plastics into automobile fuels and antifreeze components" 为题的研究论文,为海洋塑料问题的解决提供了可行的方案。

《自然-通讯》刊登赵晨及其团队研究论文

  赵晨教授团队开发一种在无氢条件下,一锅法将聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)定量转化为对二甲苯(PX)和乙二醇(EG)的低成本工艺。该工艺使用甲醇作为解聚与供氢溶剂,改性非贵金属Cu/SiO2为催化剂,集合PET醇解、甲醇脱氢与DMT选择性加氢脱氧过程为一体,实现了废弃聚酯塑料直接转化为汽油燃料和防冻液成分。

图1. PET废料的解聚和转化策略

  高效率转化塑料的催化剂归因于在传统水热合成Cu/SiO2的过程中添加适量的NaCl,Na+占据SiO2表面的部分硅羟基,从而抑制了层状硅酸铜的成核和生长。溶液中的Cu2+只能与SiO2表面剩余的硅羟基结合形成分散、孤立的硅酸铜颗粒。其结构致密,表面积小,结晶度差,且较难还原。故经还原处理得到的CuNa/SiO2具有高Cu+/Cu0比,为甲醇脱氢以及DMT选择性加氢提供了丰富的活性位点(图2、图3)。

图2. CuNa/SiO2催化剂表征

图3. 水热合成过程中引入不同量NaCl的Cu/SiO2催化剂形成机理

  通过使用比例最佳的CuNa/SiO2对DMT和中间体的反应路径进行动力学研究,发现从DMT到目标产物PX历经四个步骤:(1) DMT单侧酯基吸附在CuNa/SiO2催化剂上加氢至羟基,得到中间体B;(2) B的羟基氢解至甲基,脱附生成中间体C;(3) C的单侧酯基吸附在CuNa/SiO2催化剂上加氢至羟基,得到中间体D;(4) D的羟基氢解至甲基,脱附得到目标产物PX。该路径通过原位红外研究再次得到证实,其结果与动力学研究结果高度吻合。

图4. DMT单体在甲醇中转化为PX反应路径探究

  团队利用该体系对普吉岛海滩沉积物的塑料转化潜力进行了预测。通过对岛上常见可口可乐瓶、麦当劳饮料盖、一次性餐盒、包装袋以及涤纶布料等不同来源的 PET 塑料进行催化转化,得出每吨塑料沉积物含331 kg PET,在最佳条件下可通过该体系得到181 kg的汽油添加物(对二甲苯)和105 kg的防冻液(乙二醇)作为岛上汽车的能源储备。

图5. PET催化转化应用于普吉岛海滩沉积物

  该研究工作为资源匮乏且被塑料堆积问题所困扰的海岛提供了一种可行的处理塑料工艺,无需外部氢气,使用一锅法即可将废弃物转化海岛上能源储备。在最大化节约成本、节省能源的情况下创造高附加值产品,为废弃塑料提供了一个绿色高效且能创造经济效益的降解新技术。

化学与分子工程学院教授赵晨及其团队

  华东师大化学与分子工程学院硕士研究生高志文为本文的第一作者,马冰博士、赵晨教授为共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划(项目号No. 2016YFB0701100)等项目的资助。

附:

  论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-31078-w



图文|化学与分子工程学院、崇明生态研究院 来源|科技处 编辑|于洋 编审|郭文君、吕安琪