新型催化剂能在几分钟内彻底分解持久性塑料污染

许多人都熟悉海龟、海豚和海豹等海洋生物被废弃渔网缠住的令人不安的场景。在这些渔网以及地毯和服装中发现的塑料–尼龙-6，其主要问题是强度和耐久性过高，无法自然分解。因此，当它进入环境后，会在环境中存留数千年，污染水体，破坏珊瑚礁，危害鸟类和海洋动物。

新工艺可回收 99% 的单体（如图所示），即尼龙的组成部分。回收单体后，工业界可将尼龙循环利用，制成价值更高的产品。资料来源：美国西北大学

现在，美国西北大学的化学家们开发出了一种新型催化剂，可以在几分钟内快速、干净、彻底地分解尼龙-6，而且不会产生有害的副产品。更妙的是 该工艺不需要有毒溶剂、昂贵材料或极端条件，因此可用于日常应用。

这种新型催化剂不仅能在环境修复方面发挥重要作用，还能在将尼龙-6 废料升级再造为更高价值的产品方面迈出第一步。

观看催化剂降解 1 克 Nylon-6 样品的过程。资料来源：美国西北大学

这项研究最近发表在《化学》杂志上。

该研究的资深作者、西北大学的托宾-马克斯（Tobin Marks）说：”全世界都意识到了塑料问题。塑料是我们社会的一部分，我们使用了大量的塑料。但问题是： 用完之后我们该怎么办？理想情况下，我们不会将其焚烧或填埋。我们要回收利用。我们正在开发能分解这些聚合物的催化剂，使它们恢复到原来的形态，这样就可以重新利用了”。

马克斯是西北大学温伯格文理学院查尔斯-莫里森和艾玛-莫里森化学教授、弗拉基米尔-伊帕蒂耶夫催化化学教授，以及西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程教授。他还是 Paula M. Trienens 可持续发展与能源研究所的教员。西北大学的合著者包括化学与生物工程系萨拉-丽贝卡-罗兰（Sarah Rebecca Roland）教授兼麦考密克高级副院长琳达-布罗德贝尔特（Linda J. Broadbelt），以及马克斯研究小组的研究助理教授约西-克拉提什（Yosi Kratish）。

致命的难题

从衣服、地毯到安全带，尼龙-6 存在于大多数人每天使用的各种材料中。但是，当人们用完这些材料后，它们最终会被填埋，或者更糟糕的是：散落在包括海洋在内的环境中。据世界野生动物联盟称，每年被遗弃在海洋中的渔具多达 100 万磅，其中由尼龙-6 构成的渔网至少占太平洋大垃圾带的 46%。

一只被废弃渔网缠住的海龟。资料来源：美国国家海洋和大气管理局

“渔网使用几年后就会失去使用性能，”论文的第一作者、马克斯实验室的博士后研究员叶立伟（音译）说。”它们会被水严重浸泡，很难从海里捞出来。而且它们的更换成本很低，人们就把它们留在水里，然后再买新的。”

“海洋中有大量垃圾，”马克斯补充道。”纸板和食物垃圾会生物降解。金属沉入海底。然后就剩下塑料了。”

最环保的溶剂是无溶剂

目前处理尼龙-6 的方法仅限于简单地将其埋入垃圾填埋场。焚烧尼龙-6 时，会排放出有毒污染物，如氮氧化物（与包括过早死亡在内的各种健康并发症有关）或二氧化碳（一种臭名昭著的强效温室气体）。

虽然其他实验室也探索过降解尼龙-6 的催化剂，但这些催化剂需要在极端条件下使用（如温度高达 350 摄氏度）、高压蒸汽（耗能高且效率低）和/或有毒溶剂，而这些只会造成更多污染。

马克斯说：”可以用酸来溶解塑料，但这样就会留下脏水。怎么处理这些水？我们的目标始终是使用绿色溶剂。有哪种溶剂比不使用溶剂更环保呢？”

新型催化剂可在几分钟内降解尼龙 6 样品。资料来源：美国西北大学

回收用于升级再循环的构件

为了绕过这些问题，研究人员研究了马克斯实验室已经开发出的一种新型催化剂。这种催化剂利用了钇（一种廉价的地球富集金属）和镧离子。当研究小组将尼龙-6 样品加热到熔化温度，并在不使用溶剂的情况下使用催化剂时，塑料就会分崩离析–还原成其原始的结构单元，而不会留下副产品。

“你可以把聚合物想象成一条项链或一串珍珠，”马克斯解释道。”在这个比喻中，每颗珍珠都是一个单体。这些单体就是构件。我们设计了一种方法来分解项链，但恢复这些珍珠”。

在实验中，马克斯和他的团队能够回收 99% 的塑料原始单体。原则上，这些单体可以再循环利用，制成价值更高的产品，这些产品目前因其强度和耐用性而需求量很大。

“回收尼龙实际上比普通尼龙更值钱，”马克斯说。”许多高端时尚品牌都在服装中使用回收尼龙。”

除了回收率高的单体外，这种催化剂还具有高度的选择性–只对尼龙-6 聚合物起作用，而不会破坏周围的材料。这意味着业界可以将催化剂用于大量未分类的废料，并选择性地针对尼龙-6。

“如果没有选择性催化剂，如何将尼龙从其他废料中分离出来？需要雇人对所有废料进行分类，以去除尼龙。这样做既昂贵又低效。但如果催化剂只降解尼龙，而把其他东西都留下来，那效率就高得惊人了。”

回收这些单体还可以避免从头开始生产更多塑料。这些单体是用原油生产的，因此会产生巨大的碳足迹。

在为新工艺申请专利后，马克斯和他的团队已经收到了潜在工业合作伙伴的兴趣。他们希望其他人能大规模使用他们的催化剂，帮助解决全球塑料问题。

“我们的研究代表着聚合物回收和可持续材料管理领域向前迈出的重要一步，”Ye 说。”这种创新方法解决了当前回收技术中的一个关键缺口，为尼龙废料问题提供了一种实用高效的解决方案。我们相信，它对减少塑料的环境足迹和促进循环经济具有重要意义。”