據(jù)悉，近日，斯坦福的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種新穎的方法來制造塑料，這種制造方法的原材料是二氧化碳與非食用植物材料，比如農(nóng)業(yè)廢料和雜草。研究人員稱，這種新的科學(xué)技術(shù)提供了一個(gè)低碳環(huán)保的新材料，可以用來生產(chǎn)塑料瓶和其他塑料件，以替代目前由石油為原料生產(chǎn)而來的塑料用品。
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斯坦福大學(xué)化學(xué)系助理教授Matthew Kanan說：“我們的目標(biāo)就是要讓二氧化碳制得的塑料取代那些石油衍生品。如果塑料的生產(chǎn)環(huán)節(jié)無需使用大量的不可再生能源，那么該行業(yè)的碳排放量將大大降低。”在《自然》雜志上，Kanan與其斯坦福的同事們講述了他們的研究成果。
改變塑料的組成成分
聚對苯二甲酸乙酯是聚酯家族中最常見的熱塑性聚合物樹脂，這種纖維材料一般應(yīng)用于服裝、食物和液體容器的生產(chǎn)中，以及熱成型制造，在與玻璃纖維混合后可以制成工程樹脂。
現(xiàn)在許多的塑料制品都是由聚對苯二甲酸乙醇（PET）這種聚合物生產(chǎn)而來。全世界范圍來看，PET的年產(chǎn)量大約為五千萬噸，這些材料分別被用于生產(chǎn)織物、電子產(chǎn)品、可回收飲料容器，以及個(gè)人護(hù)理用品。
PET材料由對苯二甲酸和乙二醇這兩種成分組成，它們分別來源于精煉石油和天然氣，生產(chǎn)制造PET的過程中會排放大量的二氧化碳，眾所周知二氧化碳是一種造成全球變暖的溫室氣體。
Kanan稱：“生產(chǎn)PET時(shí)會用到化石原料，加上生產(chǎn)過程中所需要的能量供給，每制造一噸的PET材料所排放的二氧化碳?xì)怏w將超過四噸。”
Kanan與其合作者們在研究中重點(diǎn)關(guān)注了聚呋喃二甲酸（PEF），PEF由乙二醇和名為2-5呋喃二羧酸（FDCA）的化合物組成，這種PEF材料未來非常有希望取代PET。
Kanan說：“PEF材料取代PET優(yōu)勢明顯，因?yàn)槠銯DCA的成分可以從生物質(zhì)而不是石油中獲取。另外，在密封隔絕氧氣方面，PEF的材料性能更優(yōu)于PET，這點(diǎn)在裝瓶應(yīng)用時(shí)非常有利。”
盡管PET具有很多理想的材料屬性，但是塑料行業(yè)目前還沒有找到一個(gè)低成本的方法來大規(guī)模生產(chǎn)制造這種材料，瓶頸就在于找到一種經(jīng)濟(jì)可行的方法可持續(xù)地生產(chǎn)FDCA。
一種方法是將玉米糖漿中的果糖轉(zhuǎn)換為FDCA，荷蘭的Avantium公司與其合作伙伴可口可樂以及其他一些公司已經(jīng)成功開發(fā)了這項(xiàng)技術(shù)，但對于行業(yè)來說有一個(gè)問題，就是種植農(nóng)作物需要大量的土地、能源、肥料，以及水資源。
“利用果糖進(jìn)行轉(zhuǎn)換的方法是存在問題的，因?yàn)樯a(chǎn)果糖也會排放大量的碳，而且，你最終還會和糧食生產(chǎn)形成競爭關(guān)系，所以，更好的解決方案是利用非食用生物質(zhì)來制造FDCA，比如糧食收割后留下的雜草或廢料。” Kanan說。
農(nóng)業(yè)廢料變身塑料
化學(xué)系研究生Aanindeeta Banerjee與助理教授Matthew Kanan已經(jīng)開發(fā)了一種新方法來制造可再生塑料，這種塑料制造方法的原料采用的是二氧化碳和普通的植物。
斯坦福的研究團(tuán)隊(duì)一直在用糠醛做試驗(yàn)，試圖將其替換玉米糖來獲得FDCA，糠醛是由農(nóng)業(yè)廢料制成的一種化合物，已經(jīng)被廣泛使用了幾十年，每年有大約四十萬噸的產(chǎn)量，用于樹脂、溶劑，以及其它產(chǎn)品的生產(chǎn)。
但是用糠醛和二氧化碳來制造FDCA需要使用危險(xiǎn)化學(xué)品，這些化學(xué)品不僅價(jià)格昂貴，而且生產(chǎn)過程會耗費(fèi)許多能量。Kanan說：“這確實(shí)違背了我們正努力做的這件事的目的。”
斯坦福團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功解決了這個(gè)問題，即采用更為良性的碳酸鹽化合物來替代原先的糠醛。研究生Aanindeeta Banerjee是發(fā)表在《自然》上那篇研究報(bào)告的主要作者，她將碳酸鹽與二氧化碳混合，并加入糠醛的衍生物糠酸，然后將混合物加熱至大約200攝氏度，就可以形成熔融鹽。
接下來就會發(fā)生戲劇性的變化，五個(gè)小時(shí)后，89%熔融鹽混合物已轉(zhuǎn)化成了FDCA。下一步將FDCA再轉(zhuǎn)化為塑料PEF就非常簡單了，Kanan稱只需要采用其他研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的方法即可。
再生碳
Kanan稱，斯坦福團(tuán)隊(duì)的做法能夠顯著減少溫室氣體的排放，因?yàn)樯a(chǎn)PEF過程中用到的二氧化碳可以從化石燃料發(fā)電廠的排放中獲得，或者也可以從其他的工業(yè)排放中獲得。
用PEF塑料制造得到的產(chǎn)品可以回收，也可以通過焚燒又轉(zhuǎn)化為二氧化碳?xì)怏w，最后，這些大氣中的二氧化碳會被雜草和其它植物所吸收，而這些植物又可以用來制造更多的PEF材料。
“我們相信，PEF目前尚未實(shí)現(xiàn)的大規(guī)模應(yīng)用問題，可以通過我們的化學(xué)方法來解決。” Kanan說：“現(xiàn)在僅僅完成了第一步，我們還需要做大量的工作，驗(yàn)證這種方法是否是大規(guī)模量產(chǎn)可行的，并且量化這種方法的碳排放量。”
Kanan與其同事們已經(jīng)開始將他們這種新的化學(xué)方法做更多的應(yīng)用，比如利用氫和二氧化碳來生產(chǎn)可再生燃料和其他化合物。Kanan說：“這是目前我們正在做的最為令人激動(dòng)的新應(yīng)用研究。”
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