无限回收塑料的未来看起来很光明

塑料几乎是我们每天使用的每种产品的一部分。在，每个人每年平均产生约100公斤塑料废物，其中大部分直接进入垃圾填埋场。劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科琳娜·斯考恩(Corinne Scown)，布雷特·赫尔姆斯(Brett Helms)，杰伊·凯斯林(Jay Keasling)和克里斯汀·佩尔森(Kristin Persson)领导的团队着手改变这一现状。

不到两年前，赫尔姆斯(Helms)宣布了一种新的塑料发明，该塑料可以立即解决废物危机。这种材料称为聚(二酮烯胺)或PDK，具有传统塑料的所有便利特性，同时又避免了环境隐患，因为与传统塑料不同，PDK可以无限期回收而不会降低质量。

现在，该团队发布了一项研究，该研究显示了如果制造商开始大规模使用PDK，可以完成哪些工作。底线?基于PDK的塑料可能会很快与传统塑料在商业上竞争，随着时间的流逝，这些产品将变得更便宜，更可持续。

该报告的第一作者，曾与高级作者科琳·斯考恩(Corinne Scown)一起工作的前博士后研究员内米·沃拉(Nemi Vora)解释说：“塑料从未被设计成可回收利用的。很久以后，人们才意识到这样做的必要性。” “但是，推动可持续发展是该项目的核心。PDK的设计宗旨是从一开始就进行回收。从一开始，该团队就一直在努力改进PDK的生产和回收流程，以使材料的价格低廉且成本低廉。足够容易，可以在商业规模上从包装到汽车进行任何部署。”

这项研究对一个年产20,000公吨的设施进行了模拟，该设施将推出新的PDK并吸收用过的PDK废料进行回收利用。作者计算了所需的化学投入和技术，以及成本和温室气体排放，然后将他们的发现与生产常规塑料的等效数据进行了比较。

沃拉说：“如今，在业界采用循环经济做法有巨大的推动力。每个人都在尝试回收他们在市场上投放的任何东西。” “我们开始与业界讨论部署100 %%无限回收塑料的问题，并引起了很多兴趣。”

伯克利实验室的分子铸造研究所的科学家赫尔姆斯补充说：“问题是，它的成本是多少，对能源使用和排放的影响是什么，以及如何从今天的现状实现这一目标。” “我们合作的下一阶段是回答这些问题。”

一个GIF图像，显示了放入酸性溶液中PDK塑料如何容易分解。酸有助于破坏单体之间的键，并使它们与使塑料具有外观和感觉的化学添加剂分离。信用：Peter Christensen /伯克利实验室

检查便宜又容易的盒子

迄今为止，已生产了超过83亿公吨的塑料，其中绝大部分已运往垃圾填埋场或垃圾焚烧厂。一小部分塑料被送往“机械地”回收利用，这意味着它们会融化然后重新成型为新产品。但是，此技术的好处有限。塑料树脂本身由许多相同的分子(称为单体)结合在一起，形成长链(称为聚合物)。为了使塑料具有许多质感，颜色和功能，还向树脂中添加了颜料，热稳定剂和阻燃剂等添加剂。当许多塑料融化在一起时，聚合物就会与大量可能不相容的添加剂混合在一起，所生产的新材料质量要比从原材料中新生产的纯树脂低得多。因此，少于10%的塑料会被机械回收一次以上，而回收的塑料通常还包含原始树脂以弥补质量下降。

PDK塑料完全避免了这个问题-树脂聚合物经过工程设计，当与酸混合时很容易分解成单独的单体。然后可以将单体与任何添加剂分离并收集以制造新的塑料，而不会降低质量。该小组较早的研究表明，这种“化学循环利用”过程的能源和二氧化碳排放量很少，可以无限期地重复，从而形成了一个完全圆形的材料生命周期，目前存在单向浪费的情况。

尽管具有这些令人难以置信的特性，但要在自己的游戏中真正击败塑料，PDK也需要方便。回收传统的石油基塑料可能很困难，但是制造新塑料非常容易。

“我们正在谈论的基本上是不可回收的材料，” Scown说。“因此，就吸引制造商而言，PDK不会与再生塑料竞争，它们必须与原始树脂竞争。我们非常高兴地看到回收材料的便宜和高效。”

Scown是伯克利实验室能源技术和生物科学领域的科学家，专门研究新兴技术对环境和财务的未来影响。从一开始，Scown和她的团队就一直在从事PDK项目的工作，帮助Helms的化学家和制造科学家团队选择能够生产出最实惠和最环保的产品的原材料，溶剂，设备和技术。

她说：“我们正在采用早期技术，并使用不同的输入和技术来设计商业规模的业务。” 这种独特的协作建模过程使伯克利实验室的科学家能够确定潜在的扩大规模挑战并进行改进，而无需花费大量的尝试和错误周期。

研究小组的报告发表在《科学进展》上，根据该塑料的当前发展状况，对商业规模的PDK生产和回收管道进行了建模。“主要的收获是，一旦您最初生产了PDK并将其放入系统中，与继续将其循环回单体并制造新产品相关的成本和温室气体排放量可能会低于，或至少与许多常规聚合物相当。” Scown说。

计划推出

由于工艺建模的优化，可回收的PDK已经引起了需要采购塑料的公司的兴趣。自项目初期以来，Helms和他的同事们一直在展望未来，一直在进行市场研究并与行业人士会面。他们的工作表明，PDK的最佳初始应用是制造商将在其使用寿命结束时收回其产品的市场，例如汽车行业(通过折价和回收)和消费电子产品(通过电子废物)。程式)。然后，这些公司将能够在其产品中获得100%可回收PDK的好处：可持续的品牌推广和长期节省。

赫尔姆斯说：“有了PDK，现在行业中的人们可以选择。” “我们正在引入正在将圆形性融入其产品线和制造能力的合作伙伴，并为他们提供与未来最佳实践一致的选择。”

斯考恩补充说：“我们知道人们对此感兴趣。一些国家计划对依赖非回收材料的塑料产品收取高额费用。这种转变将提供强大的经济动力，使人们不再使用原始树脂。对再生塑料的需求很大。”

在渗透到汽车和电子产品等耐用产品市场之后，该团队希望将PDK扩展到寿命较短的一次性产品(如包装)中。

一整圈的未来

在制定商业投放计划的同时，科学家们还将继续在PDK生产过程中进行技术经济合作。尽管预计再生PDK的成本将具有竞争优势，但科学家们正在努力进行其他改进，以降低原始PDK的成本，从而使公司不受初始投资价格的束缚。

诚然，科学家们正在同时向前推进两个步骤。斯科恩(Scown)也是合生物能源研究所(JBEI)的生命周期，经济学和农学副总裁，而赫尔姆斯(Helms)正在与伯克利实验室的首席合成生物学家杰伊·基斯林(Jay Keasling)和加州大学伯克利分校兼JBEI首席执行官合作。微生物制备的前体成分生产PDK聚合物的方法。该工艺目前使用工业化学品，但由于偶然的跨学科研讨会，最初设计时考虑了Keasling的微生物。

赫尔姆斯说：“在我们开始PDK项目之前不久，我在一个研讨会上，周杰伦描述了他们可以用工程微生物在JBEI上制造的所有分子。” “而且我感到非常兴奋，因为我看到其中一些分子是我们放入PDK中的东西。我和Jay进行了几次聊天，我们意识到几乎所有的聚合物都可以使用经过工程微生物发酵的植物材料制成。”

“将来，我们将引入该生物成分，这意味着我们可以开始理解从常规原料向独特且可能是优势的生物基原料过渡的影响，这些原料在长期的基础上可能更具可持续性。生产，循环利用的能源，碳或水的强度。”赫尔姆斯继续说道。“因此，这是我们现在的位置，这是许多步骤的第一步，我认为我们面前还有很长的跑道，这令人兴奋。”

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