通过实验化学开发新的回收技术

通过实验化学开发新的回收技术

2023/06/14

通过实验化学开发新的回收技术 “瓶到瓶”和“纤维到纤维”化学回收

日本每年使用约58万吨PET瓶，回收率处于约86%的较高水平。目前主要用于PET瓶回收的材料回收法，是指以PET瓶为原料，对PET瓶以外的塑料制品进行再生材料的方法。然而，使用这种方法，随着材料的一次又一次回收，杂质会增加，最终必须将材料焚烧。所以主要是欧美和日本实现PET瓶“瓶对瓶”生产PET瓶的化学回收方法的技术已经开发出来，但常规的化学回收方法是在高温高压下发生反应，消耗大量能量我需要，回收技术的大问题
AIST 发现了一种利用催化反应的新分解方法。低能耗、高效实现“瓶到瓶”的化学回收方法(2021/11/8 新闻稿文章)这个方法“纤维到纤维”应用于服装回收的可能性也正在眼前，如果实现，将促进石油基纺织产品的循环利用，为减轻环境负担做出重大贡献。我们询问了进行这项研究的催化剂化学跨学科研究中心硅化学团队的田中真司。

在室温下实现！将 PET 瓶变成原材料

　日本社会对各种产品的回收利用正在取得进展。日本每年使用的约 58 万吨 PET 瓶中，约有 86% 被回收利用，使日本成为回收利用的绝佳候选国。然而，材料回收法被称为PET瓶的低成本回收方法，通过对收集的PET瓶进行分离、破碎和清洗来再生PET原料片。采用这种方法，经过多次回收后，聚合物会因杂质的影响而变质，性能下降，使得原来的PET瓶无法回收利用。

　因此，主要在日本、欧美等地发展了化学回收方法，实现“瓶对瓶”，以PET瓶为原料，再制成PET瓶。作为一种化学分解并再生PET的化学回收方法，已知一种方法，其中将甲醇添加到PET中以分解聚合物状态的PET。然而，在该反应中，副产物乙二醇根据化学平衡再次与单体反应，因此需要使用大量的甲醇并在约200℃至300℃的高温高压条件下进行反应，以使化学平衡向单体倾斜。这样，化学回收方法可以减少最终的废物量，但问题是分解过程的能源效率较低。催化剂化学研究中心的Shinji Tanaka通过使用在室温下分解的反应方法解决了这个能源效率低下的问题。

　当我第一次看到PET在室温下可以分解的结果时，我以为这是真的。我自己又仔细地进行了一次实验，确认了它到底是正确的。”他说道，仿佛就在昨天。分解PET的关键是使用碳酸二甲酯和甲醇将干扰PET分解反应的副产物乙二醇转化为化学稳定的碳酸亚乙酯。

　传统反应需要高温高压条件，将甲醇添加到PET中，分解PET产生乙二醇

　乙二醇和碳酸二甲酯反应生成甲醇和碳酸亚乙酯的反应。

　田中的创新想法是成功地将这两个反应结合起来，使反应在室温和压力下进行。

　我想马上尝试一下，所以我从自动售货机买了一些咖啡，把一个PET瓶放进研磨机里，把它变成粉末，开始实验。当我向PET粉末中添加溶液时，它一开始并没有溶解，但当反应良好时，它逐渐融化，只剩下白色的搅拌棒。''

　经过对各种催化剂的测试，我们发现使用甲醇锂作为催化剂，可以回收约90%的PET原料。结果比我预期的要好。

　田中回忆道，他之前对“酯交换反应”的研究产生了这个想法，该反应涉及乙二醇等醇与各种酯化合物的反应，这是这一结果的关键。

公司的力量对于扩大规模和降低成本至关重要

　下一个目标是实际应用。为了使这种反应真正用于回收 PET 瓶，需要扩大规模。虽然一个实验室最多只能处理1公斤，但这个反应必须在能够处理数万吨PET的化工厂中进行。就工厂规模而言，只有企业拥有各种专业知识，例如反应容器的设计、混合反应液体的叶片的精细形状以及溶液添加量的调整等，才可能实际应用。考虑降低成本的方法也很重要。由于碳酸二甲酯的价格较高，因此可能需要一种能够尽可能减少反应过程所需量并在反应后将其回收的系统。

　我希望企业能够主动超越1公斤规模，并与他们一起一直到实际应用。在解决与企业共同出现的各种问题的同时，我想跟进我发现的反应如何应用于社会。''

　目前，PET瓶回收的主流是材料回收，这会导致杂质污染和聚合物变质，但如果能够降低化学回收成本并提高能源效率，未来选择化学回收作为更可持续方法的可能性将会增加。

通过化学反应改变社会！迈向“光纤到光纤”的实现

　这些结果使我们距离通过化学回收从瓶子到瓶子实现显着节能又近了一步，但田中已经将目光投向了新的目标。这是聚酯纤维的分解，聚酯纤维由 PET 等材料制成，用于许多服装。

衣服的生产量很大，但大部分在短时间内就被丢弃了。聚酯纤维用于许多服装中。全球生产约 6000 万吨聚酯纤维，主要由 PET 制成。回收服装也是纺织行业的一个重要问题，因为实现碳中和的目标是将碳排放量减少到几乎为零。预计针对PET瓶开发的化学回收技术也将为服装的回收做出贡献。

　聚酯纤维与无色透明的PET瓶不同，后者仅由PET制成，但通常与染料一起使用或与其他纤维结合使用，以增强服装的功能性和设计性。为了从有色复合纤维中分离和分解PET成分，需要建立比PET瓶更先进的化学回收技术。

　例如，催化剂甲醇锂与水反应时会分解。即使衣物干燥时，仍含有少量水分，因此需要事先将衣物完全干燥，以防止水分与甲醇锂催化剂发生反应。这种需要大量能源的过程作为回收技术仍然不够。不过，田中对这项具有挑战性的任务持积极态度。

　催化剂的基础研究是从清洁的试剂开始，逐渐变得混合和复杂，但回收PET瓶和纺织品则相反。你从混合的试剂开始，然后提取清洁的试剂。我感受到了实践研究的乐趣。''

　为了使实验化学的成果真正应用于社会，需要化工厂等大规模资本投资，这使得初创企业等新公司难以进入该领域。由于近年来数字相关领域的流行，渴望从事化学职业的学生数量正在减少，但田中这样说是着眼于下一代。

　也许人们对化学实验有一个强烈的印象，那就是困难和要求很高。如果是这样的话，作为一名活跃的研究人员，我有一部分责任。我想表达的是，这是一个充满梦想的领域，你可以通过真实实验发现的化学反应来改变社会。为此，我愿意接受解决社会问题的挑战，并考虑有一天根据我发现的化学反应创办一家企业。”