COSMOlogic-可减少数百万吨塑料垃圾的新回收工艺

多层塑料材料在食品和医疗用品包装中无处不在，特别是因为多层聚合物可以赋予这些材料特殊的性能，例如耐热性或氧气和水分的控制。虽然实用性很强，但使用常规方法无法回收这些难以降解的塑料。

全球每年生产约1亿吨多层热塑性塑料，每一层又由多达12层不同的聚合物组成。其中40%是制造过程中本身产生的塑料垃圾，由于没有办法分离聚合物，几乎所有的塑料最终都被填埋或焚化。

最近，Wisconsin-Madison大学的工程师们发明了一种用溶剂回收这些材料中聚合物的方法，他们称之为“溶剂定向回收和沉淀（STRAP）处理”。这项工作于2020年11月20日在Science Advances上发表。

通过使用一系列的溶剂进行洗涤，溶剂的选择是通过热力学计算聚合物的溶解度来指导的，UW-Madison分校的化学和生物工程教授George Huber和Reid Van Lehn与他们的学生们使用STRAP方法将聚合物分离成一种由普通分层材料聚乙烯、乙烯醇和聚对苯二甲酸乙二醇酯组成的商业塑料。

最终分离出来的聚合物在化学上与用来制作原始薄膜的聚合物相似。研究小组现在希望利用回收的聚合物来制造新的塑料材料，证明这一过程可以帮助关闭回收循环。特别是，它可以回收在生产和包装过程中产生的那40%的塑料垃圾。

“我们已经用多层塑料证明了这一点” Huber说，“我们需要尝试其他多层塑料，并且需要扩大这项技术的规模”。

随着多层塑料的复杂性增加，识别可溶解每种聚合物的溶剂的难度也增加。这是Van Lehn使用真实溶剂似导体屏蔽模型（COSMO-RS）来指导STRAP方法的原因。

COSMO-RS能够计算出不同温度下目标聚合物在溶剂混合物中的溶解度，从而缩小可能溶解聚合物的潜在溶剂的数量。然后，团队可以通过实验探索候选溶剂。

Van Lehn说：“这使我们能够处理这些复杂的系统，如果您实际上要在回收领域有所作为，这是必需的。”

最终目标是开发一种计算系统，该系统使研究人员能够找到合适的溶剂组合以循环利用各种多层塑料。该团队还希望了解所用溶剂对环境的影响，并建立绿色溶剂数据库，以便更好地平衡各种溶剂系统的功效、成本和环境影响。

这个项目源于UW-Madison分校在催化方面的专业知识。几十年来，该大学的化学和生物工程研究人员开创了以溶剂为基础的反应学，将生物质（如木材或农业废弃物）转化为有用的化学物质或燃料前体。这方面的专业知识也应用于溶剂型聚合物的回收利用。

该小组正通过由Huber领导的新成立的多大学废塑料化学循环中心，在继续进行STRAP研究。美国能源部资助该研究中心耗资1250万美元，研究人员正在研究几种再生和回收聚合物的化学途径。

参考文献：

Recycling of multilayer plastic packaging materials by solvent-targeted recovery and precipitation” by Theodore W. Walker, Nathan Frelka, Zhizhang Shen, Alex K. Chew, Jesse Banick, Steven Grey, Min Soo Kim, James A. Dumesic, Reid C. Van Lehn and George W. Huber, 20 November 2020, Science Advances.

DOI: 10.1126/sciadv.aba7599