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尿不湿回收有新招

已有 1121 次阅读 2021-7-28 16:09 |个人分类:新科技|系统分类:科普集锦

尿不湿回收有新招

诸平

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Fig. 1: Synthetic routes to pressure-sensitive adhesives.

世界银行和《日经亚洲评论》2016年的相关数据显示,日本65岁及以上的老年人口占了总人口的27%,75岁以上的老年人数量也一直在迅速增加,平均每月就会增加3万人。随着日本人口老龄化的愈加严重,该国一次性成人纸尿裤的使用数量也急速增加,如何处理纸尿裤垃圾也成了一个严峻的问题。

据日本一个提倡纸尿裤回收的组织称,2007-2017年,一次性成人纸尿裤产生的垃圾从84万吨飙升至140万吨。而在一些农村地区,成人纸尿裤垃圾已经占了垃圾总量的20%-30%。纸尿裤垃圾的处理已成为一个新的环境问题。

据美国密歇根大学(University of Michigan简称U-M2021727日提供的消息,该校的科研人员可以将把尿不湿纸裤变成便利贴:使用化学方法进行回收,可以防止数百万吨废弃物垃圾的产生(Turning diapers into sticky notes: Using chemical recycling to prevent millions of tons of waste)。 相关研究结果于2021年7月26日已经在《自然通讯》(Nature Communications)杂志网站发表——P. Takunda Chazovachii, Madeline J. Somers, Michael T. Robo, Dimitris I. Collias, Martin I. James, E. Neil G. Marsh, Paul M. Zimmerman, Jose F. Alfaro, Anne J. McNeil. Giving superabsorbent polymers a second life as pressure-sensitive adhesives. Nature Communications, 2021, 12(1). Published: 26 July 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-24488-9

每年有350万吨使用过的尿不湿纸尿裤最终进入垃圾填埋场。这些尿不湿纸尿裤内的超强吸水材料由聚合物基质组成,一旦湿气接触它们就会膨胀。聚合物是重复单元的长链,在这种情况下,尿布中的吸收材料基于聚丙烯酸(polyacrylic acid)聚合物。

密歇根大学的一个团队开发了一种技术来解开这些吸收性聚合物,并将它们回收成类似于粘滞便笺和绷带中使用的粘性粘合剂的材料。他们的研究成果已经发表在《自然通讯》杂志网站。一般来说,回收可分为机械回收和化学回收。

U-M的化学家、也是上述研究论文的的通讯作者安妮·麦克尼尔(Anne McNeil)说:机械回收是大多数人的想法:根据其特性将不同的塑料分开,将它们切成小块,将其熔化并重复使用,但是这会降低产品的质量。机械回收会导致材料质量下降,因为不同公司的塑料构造不同:聚合物可以具有不同的链长或使用不同的添加剂和染料进行改变。

安妮·麦克尼尔的实验室专注于塑料的化学回收。她认为回收问题太多了,所有东西通常都会被回收,最终变成地毯纤维或公园长凳(park benches)。化学回收就是这种利用化学和化学转化来创造增值材料的想法,或者至少与原始材料的价值不相上下。

通常使塑料受欢迎的品质,例如韧性和耐用性,也是导致其难​​以回收的原因。特别是,聚合物难以分解,因为它们通过稳定的键结合在一起。

化学和大分子科学与工程教授安妮·麦克尼尔和最近从密歇根大学获得聚合物化学博士学位的Takunda Chazovachii与宝洁公司(Procter & Gamble)合作开发了一种将高吸水性聚合物转化为可重复使用材料的三步法。按照此方法,就可以将废弃物转化为粘合剂(adhesives)。该方法必须节能且能够在工业规模上实施。

Takunda Chazovachii博士说:高吸水性聚合物(Superabsorbent polymers)特别难以回收,因为它们旨在抵抗降解并永久保留水分。高吸水性聚合物和粘合剂都源自丙烯酸(acrylic acid)。这种共同的起源激发了我们回收利用的想法。

安妮·麦克尼尔说,超吸收材料(superabsorbent materials)中的聚合物看起来像一个松散编织的渔网,除了不是蜂窝网,这些聚合物每2,000个单元交联一次,这足以形成不溶性网状结构。为了回收这些材料,研究人员需要找到一种方法将网状聚合物断开成水溶性链。Takunda Chazovachii博士发现,当这些聚合物在酸或碱的存在下加热时,它们的交联会断裂。

研究人员还需要确定这些过程在工业规模上是否可行。U-M格雷厄姆可持续发展研究所(Graham Sustainability Institute)的研究助理玛德琳·萨默斯(Madeline Somers)和U-M环境与可持续发展学院(School for Environment and Sustainability)的研究员约瑟·阿尔法罗(Jose Alfaro)进行了生命周期评估。他们了解到,基于二氧化碳释放量,使用这种酸性方法对聚合物进行去交联将显示出低10倍的全球变暖潜势,并且比使用碱降解的方法需要的能量少10倍。

接下来,研究人员需要缩短材料内的长聚合物链,以生产不同类型的粘合剂。Takunda Chazovachii博士意识到超声降解法(sonication)处理使用微小的爆炸气泡来破坏聚合物链,可以将链切割成碎片,而不会改变链的化学性质。他说:我们真正喜欢这种方法的是,它是一个微妙而简单的机械过程。可以分解聚合物,但保持其结构单元或酸基完好无损,因此您实际上可以用它进行其他反应。

最后,Takunda Chazovachii博士在化学教授保罗·齐默尔曼(Paul Zimmerman)和他的学生 迈克尔·罗博(Michael Robo)的协助下,将聚合物链上的酸基转化为酯基。这将性质从水溶性变为有机可溶,并且它们变得粘稠,就像粘合剂一样。另一个好处:该反应中使用的试剂也可用作溶剂,可以回收再利用。在测试粘合剂特性后,Takunda Chazovachii博士意识到超声处理不是击中一种粘合剂所必需的,这进一步简化了此方法。

最后,研究人员必须证明,在地球上,用回收聚合物开发粘合剂比从石油中生产粘合剂更容易,这是一条典型资源节约和环境友好型的路线。将他们的粘合剂路径与传统方法进行比较,作者发现全球变暖潜能值降低了22%,使用回收尿布的路径能量减少了25%

研究人员声称可以使用已经干净的尿布,但清洁用过的尿布的公司正在涌现,例如宝洁的附属公司 FaterSMART。此外,Takunda Chazovachii博士指出,化学回收的条件会杀死任何幸存的细菌。

安妮·麦克尼尔说,她希望致力于为小分子创造反应的合成化学家将注意力转向聚合物。这只是一篇论文,但我已经将我的大部分研究转向了这个方向,因为我认为这对合成化学家来说是一个真正开放的机会来影响现实世界的问题。我希望更多人考虑这个问题,因为全球塑料问题如此之大,化学家可以在重塑我们如何处理这些废物方面发挥非常重要的作用。

上述介绍,仅供参考欲了解更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道 

化学家创造可再生植物基聚合物(Chemists create renewable plant-based polymers

Abstract

An estimated 6.3 billion metric tons of post-consumer polymer waste has been produced, with the majority (79%) in landfills or the environment. Recycling methods that utilize these waste polymers could attenuate their environmental impact. For many polymers, recycling via mechanical processes is not feasible and these materials are destined for landfills or incineration. One salient example is the superabsorbent material used in diapers and feminine hygiene products, which contain crosslinked sodium polyacrylates. Here we report an open-loop recycling method for these materials that involves (i) decrosslinking via hydrolysis, (ii) an optional chain-shortening via sonication, and (iii) functionalizing via Fischer esterification. The resulting materials exhibit low-to-medium storage and loss moduli, and as such, are applicable as general-purpose adhesives. A life cycle assessment demonstrates that the adhesives synthesized via this approach outcompete the same materials derived from petroleum feedstocks on nearly every metric, including carbon dioxide emissions and cumulative energy demand.



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1 郑永军

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