【儀表網 研發快訊】長期以來，全球廢棄塑料的高速累積已對整個生態系統造成了嚴重危害，如何實現可持續、低能耗且規模化增值利用廢棄塑料成為人類亟待解決的難題。在廢棄塑料的回收利用研究進程中，學術界與工業界陸續發展了熱解、催化熱解、氫解、串聯烷基復分解等化學處理方法，旨在通過精準化學控制手段，實現對廢棄塑料各元素的全回收，進而緩解廢棄塑料的環境污染，并促成資源循環經濟的發展。然而，由于廢棄塑料化學鍵通常十分穩定且成分復雜，現有化學回收方法仍面臨諸如反應條件苛刻、催化劑穩定性差、回收成本高、規模化生產難等嚴峻挑戰。
 

　　近日，來自清華大學與中國科學院理化技術研究所液態金屬研究中心劉靜和高建業，油氣中心三次采油團隊馬望京等研究人員，以微波激發液態金屬釋放高能等離子體為出發點，建構了可實現聚乙烯、聚丙烯塑料的選擇性強化解聚策略，獲得了顯著超越傳統解聚方法的產量高、分布集中的碳氫化合物油品(油產率：PE 85.9 wt.%; PP 81.0 wt.%)和烯烴單體(C2-C4烯烴選擇性：PE 50%; PP 65.3%) 。此項工作首次提出了液態金屬協同電磁微波強化塑料 “選擇性” 解聚的方法，為規模化、低能耗回收廢棄塑料提供了全新的技術路線。相關成果近日以Microwave-Powered Liquid Metal Degradation of Polyolefins為題發表在Advanced Materials上。該文章通訊作者為清華大學高建業，清華大學和中國科學院理化所劉靜，中國科學院理化所馬望京。清華大學高建業和中國科學院理化所趙俊為文章共同第一作者。
 

　　在這項工作中，團隊引入了液態金屬激發微波等離子體的超常規技術理念，可瞬時突破廢棄塑料解聚熱力學極限，同時液態金屬還易于與解聚產物、雜質自發分離，由此為強化塑料的選擇性解聚，并保持循環解聚的長周期穩定運行奠定了理論與技術基礎。作為新概念型微波等離子體引發劑，處于流態化的液態金屬中具有豐富的自由電子，在電磁波輻照下，自由電子遷移至液態金屬涂層尖端時，會引發電弧放電瞬間產生高能等離子體，從而實現電磁波能量向塑料的高時空動態傳輸。在此過程中，微波輻照下被激活的自由電子還會促使塑料骨架中形成活性自由基中間體，這為后續塑料的解聚(β-scission)創造了先決條件。同時，微波等離子體的間歇性發生特性有效抑制了經典方法中持續性加熱導致的諸多副反應，極大提升了廢棄塑料向高附加值烯烴單體與窄帶分布碳氫化合物油品的轉化。與此同時，頗為重要的是，由于液態金屬和解聚產物之間固有的不兼容性以及二者在密度、表面張力和沸點等物性上存在的顯著差異，液態金屬與解聚產物、雜質之間可自動分離，這賦予了液態金屬可重復穩定性用于超過30次以上的循環解聚，以及2.83 噸(塑料)/升(液態金屬)的高周轉率。相比于傳統熱催化方法，微波協同液態金屬強化廢塑料回收策略具有更低能耗、更溫和的反應條件、更高產物附加值等優勢，展示了其在廢棄塑料增值化回收利用方面的巨大潛力。
 

　　總的說來，液態金屬激發微波等離子體解聚技術的問世，在很大程度上克服了傳統技術中催化劑不易回收、塑料處理效率低以及解聚周期長等缺陷，不僅為聚烯烴廢棄塑料的規模化高效回收利用提供了嶄新的機遇，也為塑料循環經濟可持續發展奠定了堅實的基礎。與此同時，這一技術還展示出很好的可擴展性和適應性，有望用于更多廢棄物資源如聚酯類塑料、纖維、農林生物質以及橡膠等的增值回收和循環利用。
 

　　上述工作得到國家自然科學基金、中國博士后基金、國家重點研發計劃、中國科學院理化技術研究所所長基金等資助。
 

　　圖1.液態金屬觸發微波等離子體升級再造聚烯烴塑料的工作原理。a)聚烯烴解聚流程示意。b)電磁微波驅動下液態金屬的解聚活性：i)微波輻照下液態金屬表層渦流加熱效應；ii)電弧放電激發等離子體促成大分子烴轉化為小分子烴；iii)第一性原理計算揭示液態金屬GaIn促進正己烷模型分子中C-C 鍵斷裂。c)聚烯烴經受等離子體解聚作用時的反應過程。
 

　　圖2.液態金屬EGaIn觸發微波等離子體驅動的聚乙烯塑料解聚過程動態刻畫。a)不同解聚時間的質量平衡和解聚速率。b)XRD 光譜揭示塑料和液態金屬在解聚過程中的結構演變。c)不同解聚時間下油產物的碳數分布。d)使用 1H NMR 光譜得出的不同時間油產物中 HOlefin/HTotal的比例和支化情況。e)FTIR 光譜描繪了不同時間油產物中的官能團變化。f)利用氣相色譜法得出的塑料解聚過程中氣體成分的時間演變。g)EPR 光譜揭示塑料解聚過程中間體的演變。
 

　　圖3.液態金屬EGaIn觸發微波等離子體驅動的解聚低密度聚乙烯（LDPE）的產物分布。a)在 30 個連續解聚循環中的產物產率和烯烴單體C2-4=選擇性。第 1、10 和 30 個循環中b)油產物的碳數分布，c)解聚殘留物的 TEM 圖和 SAED 圖。d)DSC 圖譜表征不同解聚循環后 EGaIn 的熔點。e)Ga K 邊 XAS，f)Ga 箔和 Ga2O3標準樣品以及解聚 LDPE 前后的 EGaIn 的 Ga元素K 邊 XANES 光譜的傅里葉變換。g)XPS 圖譜揭示不同解聚循環后 EGaIn 中 Ga 的價態。
 

　　圖4.微波驅動液態金屬解聚技術的有效性和適應性。a)電加熱的熱解策略與微波驅動液態金屬EGaIn 解聚產品產率和能耗的比較。b)塑料升級再造能力對比。c)產品產率、C2 - 4 =的選擇性 以及 d)使用不同液態金屬對各種聚烯烴塑料解聚時的油產品碳數分布。
 

　　圖5.含液態金屬涂層的聚烯烴物料制備。a)聚烯烴的機械破碎過程。b)機械攪拌制備出的含液態金屬涂層聚烯烴。C)低密度聚乙烯塑料破碎后實物。d-f)含液態金屬涂層的聚烯烴：d)照片；e)SEM圖像；f)EDS圖像。
 

　　圖6.液態金屬激發微波等離子體現象。拍攝過程中使用佳能相機以每秒50幀的速度捕捉到的等離子體產生及演化過程。
 

　　圖7.液態金屬激發微波產生的超快脈沖等離子體。使用高速相機以每秒1000幀的速度捕捉脈沖等離子體現象。
 

　　圖8.實驗室級微波驅動液態金屬解聚技術裝置及系統。a)設備和實驗系統示意。從左至右：i)載氣儲氣瓶，ii)管道，iii)微波反應設備，iv)石英反應器，v)冷凝器，vi)油氣分離器，vii)氣體產物儲氣瓶，viii)油氣檢測裝置，ix)數據采集設備。b)圖a中iii)微波反應器實物照片。c)圖a中iv)石英反應器實物。d)油氣分離器照片。