“白色垃圾”變燃料！MIT李巨教授領(lǐng)銜開(kāi)發(fā)等離子體微波法，同時(shí)產(chǎn)出工業(yè)原料氣體和人造煤｜專(zhuān)訪(fǎng)

塑料降解不需要再等 500 年！輻照 8 秒，微波 330 瓦，就能實(shí)現塑料變燃料！

近期，麻省理工學(xué)院（MIT）李巨教授課題組聯(lián)合東華大學(xué)朱美芳院士、中國石化集團公司喬金樑教授、蔣海斌教授等，共同研發(fā)了用微波等離子體高溫快速炭化塑料的新技術(shù)。

4 月 6 日，相關(guān)研究以 “Self-Perpetuating Carbon Foam Microwave Plasma Conversion of Hydrocarbon Wastes into Useful Fuels and Chemicals” 為題發(fā)表在Environmental Science & Technology。該論文通訊作者為李巨、朱美芳、喬金樑，第一作者是 MIT 博士后徐桂銀。

該團隊研發(fā)了一種碳泡沫微波等離子體技術(shù)，該技術(shù)利用等離子體放電，在微波 330 瓦條件下，可使白色污染（電池廢隔膜、未分類(lèi)的塑料、廢舊紡織纖維、廢棄口罩等）輻射 8 秒鐘后，轉化為高價(jià)值氣體原燃料和少量無(wú)機礦物和固體碳。

李巨表示，該技術(shù)的總體想法是通過(guò)流動(dòng)式的微波，利用電價(jià)格較低的優(yōu)勢進(jìn)行白色污染的處理。

“在將塑料轉化為燃料后，含氫較多的氣體就出來(lái)了，我們發(fā)現剩下的碳是納米結構，可以像自繁殖一樣繼續放電，且效率比以前高。而塑料里的一些無(wú)機物的顆粒，比如氧化硅、氧化鋁，最后可以同碳一起，像煤那樣埋在礦坑里?！?/span>

用等離子體產(chǎn)生的高溫處理廢塑料

徐桂銀對 DeepTech 表示，“我原來(lái)研究的領(lǐng)域是能源，在做實(shí)驗的時(shí)候與李巨教授商量，可以嘗試一下隔膜。因為隔膜里面有很多有毒的物質(zhì)，比如說(shuō)有機電解液、氟化鋰等。用常規的化學(xué)循環(huán)，會(huì )對設備損壞污染、對人員有一定危害，所以考慮了這個(gè)方法?！?/span>

喬金樑認為，這項研究最核心的技術(shù)是李巨教授提出用等離子體處理廢塑料。“這是將技術(shù)上升到理論的新高度，而在此之前我們沒(méi)考慮過(guò)加熱是什么原理。當了解到由等離子體產(chǎn)生的高溫來(lái)廢塑料降解后，也就知道如何能更容易產(chǎn)生等離子體?！?/span>

這項研究過(guò)程中面臨兩個(gè)挑戰性的問(wèn)題：裝置的安全性和碳材料的選擇。“我們把裝置設計在微波爐里，其實(shí)它是局部放熱的，那么只要將碳存在的地方，做好安全防護問(wèn)題就可以?！毙旃疸y說(shuō)。

碳材料的選擇是研究團隊面臨的另一個(gè)挑戰，在碳材料的選擇上，研究團隊嘗試了碳泡沫、價(jià)格較高的碳納米管和價(jià)格較低的石墨等材料。

在實(shí)驗過(guò)程中，研究人員發(fā)現其他碳材料產(chǎn)生的熱沒(méi)有碳泡沫（碳氣凝膠）效果好。并且碳納米管或石墨等材料產(chǎn)生的等離子體是間斷性的，而碳泡沫可以持續放熱

此外，產(chǎn)生等離子體過(guò)程中會(huì )有震動(dòng)的現象，如果碳材料容易被震碎或者在高溫條件下機械性能不好，則會(huì )導致處理過(guò)程效果不佳而影響其使用壽命。

綜合來(lái)看，碳泡沫具有良好的表觀(guān)電導率，并且孔隙率較好，能充分吸收微波。在多種材料實(shí)驗和比較后，研究團隊選擇了碳泡沫作為誘導等離子體的材料。

等離子體微波法：一種能將白色污染 “吃干榨凈” 的方法

由于塑料用量和隨新冠疫情爆發(fā)的醫療廢物激增，白色污染對人類(lèi)的可持續發(fā)展和生態(tài)系統構成了嚴峻挑戰。

當前回收白色廢物的方法，有化學(xué)回收、物理回收和焚化，需要預分選和洗滌或釋放二氧化碳。喬金樑表示，近幾年，物理回收的局限性已經(jīng)顯現，大概只能處理 10% 廢塑料，且需要預分選，成本高。

而化學(xué)循環(huán)則需要催化劑，因催化劑的壽命限制，使得化學(xué)循環(huán)的發(fā)展受限?！按呋瘎τ谠弦筝^高，在前期對于原料的預處理的條件要求會(huì )比較苛刻，并且在處理過(guò)程中對環(huán)境的條件要求也非常高。如果處理不好，催化劑就容易失活。所以，化學(xué)循環(huán)處理方法的成本較高?！?蔣海斌告訴 DeepTech。

無(wú)法回收的廢塑料通常用掩埋和焚化的方法進(jìn)行處理，不可降解的塑料在自然循環(huán)降解一般需要 500 年以上。這種方法無(wú)論對人類(lèi)、動(dòng)物還是海洋生物都會(huì )有長(cháng)期的危害。

而等離子體微波法在塑料掩埋的處理上也能發(fā)揮積極作用。經(jīng)過(guò)等離子體微波法處理塑料，轉化后的氣體產(chǎn)物有氫氣、一氧化碳、甲烷、乙烯、丁烯等，其中以氫氣及一氧化碳為主，占氣體總體積 50% 以上。

李巨表示，通常在焚燒過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量二氧化碳，而該技術(shù)可以將塑料轉化成有用化工原料氣體，主要是氫氣和一氧化碳，另外處理剩余的固體可以填埋挖空的礦井做成人造煤，這也順應了目前提倡的碳減排、碳中和的方向，營(yíng)造 “無(wú)廢時(shí)代”。

“我們現在目前成功實(shí)驗了口罩及工業(yè)上的廢棄物，其實(shí)農場(chǎng)上也有很多廢棄物需要回收。比如含氮的雞毛、含氮的生物質(zhì)等。將來(lái)，可以利用等離子體微波法把這些成分轉化為化工原料，從而實(shí)現廢固再利用?！?喬金樑說(shuō)

與傳統的化學(xué)、物理處理方法對比，等離子體微波法的優(yōu)勢如下：

第一，處理白色污染不需進(jìn)行預分選或洗滌，有利于低成本大規模應用。

“分類(lèi)會(huì )增加回收成本，大規模工業(yè)化的可能性就比較難。而等離子體微波法最大好處是不需要分類(lèi)，無(wú)論什么成分的廢料經(jīng)過(guò)該方法都會(huì )被氣化，這是該技術(shù)將來(lái)能夠工業(yè)化的最大的優(yōu)勢?！?喬金樑說(shuō)。

第二，適用范圍廣，能用于所有的材料。喬金樑表示，不僅適用于塑料、橡膠、纖維等合成材料，對于所有的有機廢物（包括氣體、液體）都是適用的。

徐桂銀表示，這次新冠疫情爆發(fā)，面臨很多廢舊口罩處理的問(wèn)題?！靶鹿诓《靖街?zhù)在口罩上，如果人們直接接觸這些廢棄口罩，就會(huì )有被感染的可能，用一些常規的技術(shù)處理也可能會(huì )有污染，而等離子體高溫處理不僅解決了污染的問(wèn)題，同時(shí)還能將細菌轉換成燃料。”

圖丨電池隔膜廢物在碳泡沫上（a）處理之前和之后（b，c）上的圖像（來(lái)源：Environmental Science & Technology）

第三，具有連續性，且利用率高達 85%。這項技術(shù)最大的好處是可以隨時(shí)停、隨時(shí)開(kāi)?！八鉀Q了太陽(yáng)能、潮汐能、風(fēng)能等因間歇性而難以入網(wǎng)利用的問(wèn)題，實(shí)現把綠色的能源真正有效地利用起來(lái)，是最節能、可持續的方法。所以，它可以成為一種新的儲能方法?！?喬金樑說(shuō)。

第四，可分離有機物和無(wú)機物。李巨認為，該方法是將塑料轉化成小分子氣體，裂解的碳沉積在原來(lái)的泡沫上。這樣，分離了有用成分和污染物，將污染物固化。

喬金樑告訴 DeepTech，目前很難解決一些材料的回收，例如風(fēng)能發(fā)電、碳纖維的復合材料、線(xiàn)路板等，而等離子體微波法可以真正地形成綠色循環(huán)。

未來(lái)應用：距離實(shí)現工業(yè)化還有多遠？

喬金樑表示，這項技術(shù)最終的想法就是要做 “全循環(huán)”，將礦物質(zhì)轉化成人們要用的東西，實(shí)現大量回收。而不能回收的部分，可以通過(guò)微波法把它回收變成有用的氣體和沒(méi)有危害、甚至有用的成分。

比如碳材料可以轉化為炭黑，用于橡膠制品或者塑料制品，實(shí)在沒(méi)用的再做掩埋處理。所以，這是一種將白色污染全部 “吃干榨凈” 的方法。

等離子體微波技術(shù)是多學(xué)科交叉、多單位合作下共同推動(dòng)完成。

李巨是材料科學(xué)家、MIT 終身教授。曾獲 2005 年美國 “青年科學(xué)家工程師總統獎”，2006 年材料學(xué)會(huì )杰出青年科學(xué)家大獎，2007 年度《技術(shù)評論》雜志 “世界青年創(chuàng )新（TR35）獎”，2009 年美國金屬、礦物、材料科學(xué)學(xué)會(huì ) (TMS) “Robert Lansing Hardy” 獎。入選湯森路透 / 科睿唯安全球高被引科學(xué)家及 Webometrics h>100 名單。2014 年被選為美國物理學(xué)會(huì )（APS）會(huì )士，2017 年入選材料研究學(xué)會(huì )（ MRS ）會(huì )士，2020 年入選美國科學(xué)促進(jìn)會(huì )（AAAS）會(huì )士。

朱美芳是中國科學(xué)院院士、發(fā)展中國家科學(xué)院院士?，F任東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長(cháng)、纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗室主任。

喬金樑是中國石化集團公司首席專(zhuān)家，曾任北京化工研究院副院長(cháng)等職，從事基于基礎研究的技術(shù)創(chuàng )新工作近 40 年，取得多項原創(chuàng )成果。他已獲國內外授權發(fā)明專(zhuān)利 380 多件，發(fā)表 SCI 論文 120 余篇。

徐桂銀在 MIT 從事博士后研究工作，研究方向為功能纖維與隔膜材料在能源儲存與環(huán)境修復中應用。

喬金樑表示，該技術(shù)對環(huán)境的資源回收利用提供了新的思考。例如，液體和氣體的廢棄物都可以通過(guò)等離子體微波法進(jìn)行轉換。

朱美芳認為，等離子體微波法是 “變廢為寶、低碳環(huán)?！?的新技術(shù)。無(wú)論從理論深度還是技術(shù)先進(jìn)性，都是非常有工業(yè)化應用前景的新方法。

“我認為，對塑料制品（包括化學(xué)纖維制品）的大規模的低碳回收利用是非常重要的方向，應該去尋找更合適、更科學(xué)的合作來(lái)更好地發(fā)展。技術(shù)如果走向工業(yè)化可能將面臨很多新的挑戰，但是未來(lái)可期。希望在市場(chǎng)驅動(dòng)和社會(huì )需求下，加強各方面合作，真正地把先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)造福人類(lèi)?！?朱美芳說(shuō)。

期望做 “取之不盡用之不竭” 的全循環(huán)

在處理秸稈過(guò)程中，如果焚燒它會(huì )造成很大的環(huán)境污染，如果埋它的話(huà)，地質(zhì)也要受到破壞。喬金樑認為，下一步應該擴展對秸稈的處理技術(shù)。

“現有技術(shù)處理三大合成材料的難度還是比較大，如果未來(lái)能用等離子體微波法處理秸稈，那么太陽(yáng)能產(chǎn)生秸稈，秸稈又可以轉化成我們需要的能源，這才是可持續發(fā)展模式，是‘取之不盡用之不竭’的全循環(huán)?！?喬金樑說(shuō)。

朱美芳認為，在特殊環(huán)境、極端環(huán)境下材料的研究是未來(lái)研究重點(diǎn)。“微波引起局部溫度的快速提高，在航空航天領(lǐng)域等都會(huì )有廣闊的應用前景。如果溫度達到 3000K 下長(cháng)時(shí)間工作，實(shí)際上沒(méi)有任何材料能承受那么長(cháng)的時(shí)間，但是在很短的時(shí)間達到某個(gè)極高的溫度再引起反應，正是這個(gè)技術(shù)的關(guān)鍵所在?！?/span>

李巨認為，等離子體微波法是很有必要深入研究的課題，因其懸浮的尖端放電，所以下一步應聚焦粉塵的問(wèn)題，即如何減少或完全消除粉塵在氣體的漂浮。

“應思考如何能用最少的電能降解最多的有機物，在利用電能的有效性上，我認為還有很大的優(yōu)化空間。如果這項技術(shù)真正走向大規模工業(yè)化，怎么能夠既有流動(dòng)性，又能將氣體、固體有效地分離將會(huì )是研究的重點(diǎn)。”

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參考：

https://doi.org/10.1021/acs.est.0c06977