浙大校友用废弃塑料生产清洁剂，将塑料经济价值提升2倍

“以塑料为原料制造肥皂，这在此前是从未实现过的。当我们课题组第一次拿到塑料制备的肥皂时，都超级兴奋。当时，许振拍了一张照片给我。在我收到照片的那一刻，我明白这意味着我们创造了一种全新的技术路径，并且证明了这条路径是可行的。”美国弗吉尼亚理工大学刘国良副教授回忆道。

也就是说，未来，我们从市场中购买的肥皂或清洁剂的部分成分，有可能来自回收的废弃塑料。

图丨刘国良（来源：刘国良）

近期，基于回收塑料产物的经济价值等因素，弗吉尼亚理工大学团队在 Science 报道了一种具有普适性的有效方法，能够将塑料转变为肥皂或其他清洁剂[1]。

值得关注的是，该方法可同时将聚乙烯（Polyethylene，PE）和聚丙烯（polypropylene，PP）这两种塑料转化为脂肪酸（肥皂的主要成分），转化率在 80% 左右。并且，两种塑料的平均摩尔质量高，其中，PE 实现 700 道尔顿，PP 则为 670 道尔顿。

该研究解决了两方面问题。一方面，该方法可避免在塑料回收时排放大量的二氧化碳或其他温室气体。这种相对环保的回收方式，大大降低了碳排放；另一方面，该团队开发了一种将低价值物质向高价值产品转化的新方法。相比于从动物身上提取脂肪酸，该方法在经济效益上更具有竞争力。

从市场需求来看，肥皂与塑料的需求量几乎相当。从经济价值角度，在同等重量条件下，肥皂的市场价格是塑料的 2 至 3 倍。目前市场的平均价格，肥皂和洗涤剂约 3550 美元/吨，聚乙烯约 1150 美元/吨。

经济价值是塑料回收中重点考虑的因素之一。随着人力成本的增加，塑料的回收成本也会增加。那么，回收塑料如何能够产生更多的经济价值及利润呢？通过政府补贴或退税的是实现盈利的途径之一，但难以持续。

该研究中工业规模的技术经济分析证明，在不用任何补贴的情况下，该工艺仍能实现经济可行性，为可持续性回收塑料指明了新方向。

实现 PE 和 PP 两种塑料的同时回收

刘国良课题组的研究方向多样，主要致力于能源和环境科学应用。具体方向包括高分子聚合物、高分子薄膜复合材料、功能碳纤维、聚合物回收和升级等。尤其是高度关注塑料的应用和回收，并为相关研究制定合适的策略。此前，该团队研究将高分子作为前置物质生产，例如将塑料转变为碳材料。

在研究塑料垃圾回收时，他们会根据高分子的具体情况，选择其最后的回收应用的前景。以聚苯乙烯（Polystyrene，PS）回收为例，PS 中含有大量的芳香环族，在回收 PS 时，研究团队便将重点放在如何合理利用和回收芳香环族。

在这次的新研究中，塑料和肥皂看上去是毫无联系的两种物质。那么，研究团队是如何联想到将前者转化为后者的？转化的过程又是否简单，并具有产业转化的可能呢？

实际上，早在 2018 年左右，刘国良就产生了将塑料转化为肥皂的想法。然后，从 2020 年初步研究到最终得到理想的结果，共经历约两年多的时间。从分子结构的特性上来看，PE 和脂肪酸的相似度很高。二者都以独特、简单的分子结构碳链组成，而脂肪酸在链末端有一个额外的功能团。这说明，将 PE 转化为脂肪酸具有可能性。

脂肪酸基本上来自动物的脂肪或者植物油。动物脂肪的一种常见用途，便是应用在表面活性剂，而肥皂是其下游产品的代表。刘国良指出，“实际上，我们转换后的脂肪酸与动物脂肪更相似。因此我们联想到，可以尝试将塑料制成肥皂、洗涤剂等表面活性剂。”

（来源：弗吉尼亚理工大学）

PE 的分子链大概长度在 3000 个碳原子，那么，将它的分子链变小会发生什么，如何高效地将它的原子链变短呢？

该团队从热学角度出发，将 PE 的原子链结构打断，从长链变为短链，不仅使它降解为蜡（短链 PE），还减少了气体小分子的产生。然后，研究人员利用硬脂酸锰催化氧化等手段，最终将蜡再转化成脂肪酸。研究人员在第一次得到 PE 和 PP 制造的肥皂时，就得到比较好的产品性能，脂肪酸的转化率实现了 80% 左右。

图丨在温度梯度反应器中将 PE 和 PP 升级循环为脂肪酸（来源：Science）

该团队在 PE 取得突破后，发现 PP 也存在类似的结构。“我们常用的脂肪酸具有不饱和结构。在某种情况下，PP 其实也是一种可以做成脂肪酸结构的分子。”刘国良表示。

由于 PE 和 PP 相似度过高，因此在以往的研究中，同时回收这两种塑料及其混合物充满挑战。使用催化剂将塑料转化为其他高价值产物是转化手段之一，但往往催化剂只对一种材料有效，而对另一种材料可能完全没有效果。

该研究通过打断 PE 和 PP 分子链结构的形式，提供了一种无需催化剂即可将低价值物质转换为高价值产品的新方法。并且，研究人员还对打断分子链过程中的反应机理，以及氧化和下一步反应的机理进行了探究。

PE 和 PP 在化学反应上有巨大的差别，通过该方法绕过了二者之间选择性的难题。“并且，我们的方法具有普适性，极有可能也适用于其他材料的回收。”刘国良说。

图丨PE 降解为蜡，并进一步转变为脂肪酸（来源：Science）

在确认科学原理后，他们找到了美国橡树岭国家实验室鲍比·G·萨姆普特（Bobby G.Sumpter）利用基于密度函数的紧密结合（Density functional–based tight-binding，DFTB）模拟，来获得对 PE 和 PP 的温度梯度降解的分子理解，并评估随后的氧化上循环反应。

DFTB 和扩展的紧密结合的方法能够模拟相对较大的系统和合理的时间尺度，具有良好的精度，但比传统的从头计算密度泛函理论方法要快得多。

此外，在经济性方面，山东师范大学的张其坤教授进行了一系列的计算，证明了该技术经济盈利的可行性。

图丨相关论文（来源：Science）

近日，相关论文以《将聚乙烯、聚丙烯及其混合物化学升级回收为高价值表面活性剂》（Chemical upcycling of polyethylene, polypropylene, and mixtures to high-value surfactants）为题发表在 Science[1]。

弗吉尼亚理工大学博士研究生许振和努瓦约·埃里克·穆尼亚内扎（Nuwayo Eric Munyaneza）为该论文的共同第一作者，由刘国良副教授、橡树岭国家实验室鲍比·G·萨姆普特（Bobby G.Sumpter）担任论文的共同通讯作者。

为塑料回收提供可持续性的新思路

刘国良具有化学、化工、物理、材料、电子电器、计算机科学等的交叉学科背景，这无形之中为其科研探索之路赋予了更多的创新性和好奇心。他本科在浙江大学材料化学与化工学院，竺可桢学院工程教育高级班，创新与创业管理强化班学习，获得化学工程学士学位。在美国威斯康星大学麦迪逊分校获得化学工程博士学位，师从保罗·F·尼利（Paul F. Nealey）教授。

随后，他在美国西北大学从事博士后研究，合作导师为查德·A·米尔金（Chad A. Mirkin）教授，并被评为该校国际纳米技术研究所的杰出研究员。期间，他与诺贝尔化学奖获得者詹姆斯·弗雷泽·司徒塔特（James Fraser Stoddart）在超分子领域展开了深入的合作。2014 年秋季，他加入弗吉尼亚理工大学任教，并成立课题组。

“在课题的选择方面，我对博士和博后期间研究成果和方向进行了细致分析，决定离开比较舒适的原研究方向，进行独立创新，以自己的兴趣为驱动找到了一片‘新天地’——能源与环境。例如塑料垃圾就是显而易见、重要的环境问题。”刘国良说。

（来源：弗吉尼亚理工大学）

论文的发表是阶段性成果的体现，但并不意味着研究的终结。刘国良表示：“虽然我们成功验证了塑料转化成肥皂的技术的可行性，但我们并没有着急投稿。即便在投稿后，我们仍然对工作还有很多不是特别满意的地方。因此，直到现在，相关研究也一直在进行中。”

下一步，该团队希望将对塑料转化后的产品性能进行检测，然后根据相关性能进一步确定其为相关领域提供帮助的可能性。他们计划重点将在两方面继续探索。一方面，从化学、化工、机械等基础科学的角度探索这种转化反应过程的原理；另一方面，从实用性的角度，继续探索提升产品转化率和调节调控度的方法。

对于该技术的产业化发展，刘国良坦言，基于本次的研究成果，希望为领域提供一种塑料回收的可持续性的新思路。“我们在保持乐观态度的同时也必须保持清醒的认识，将技术从实验室到产业化转化可能是一个漫长的过程。期待未来和产业界合作，早日将技术在生产和生活中实现应用。”

参考资料：

1.Xu，Z., et al.Chemical upcycling of polyethylene, polypropylene, and mixtures to high-value surfactants. Science 381,6658,666 - 671(2023). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh0993