“白色垃圾”變?nèi)剂?！MIT李巨教授領(lǐng)銜開發(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｜專訪

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(tuán)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(tuán)隊(duì)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、未分類的塑料、廢舊紡織纖維、廢棄口罩等）輻射 8 秒鐘后，轉(zhuǎn)化為高價(jià)值氣體原燃料和少量無機(jī)礦物和固體碳。

李巨表示，該技術(shù)的總體想法是通過流動(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(zhuǎn)化為燃料后，含氫較多的氣體就出來了，我們發(fā)現(xiàn)剩下的碳是納米結(jié)構(gòu)，可以像自繁殖一樣繼續(xù)放電，且效率比以前高。而塑料里的一些無機(jī)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。”

用等離子體產(chǎn)生的高溫處理廢塑料

徐桂銀對 DeepTech 表示，“我原來研究的領(lǐng)域是能源，在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候與李巨教授商量，可以嘗試一下隔膜。因?yàn)楦裟だ锩嬗泻芏嘤卸镜奈镔|(zhì)，比如說有機(jī)電解液、氟化鋰等。用常規(guī)的化學(xué)循環(huán)，會對設(shè)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(rèn)為，這項(xiàng)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，而在此之前我們沒考慮過加熱是什么原理。當(dāng)了解到由等離子體產(chǎn)生的高溫來廢塑料降解后，也就知道如何能更容易產(chǎn)生等離子體。”

這項(xiàng)研究過程中面臨兩個(gè)挑戰(zhàn)性的問題：裝置的安全性和碳材料的選擇。“我們把裝置設(shè)計(jì)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(hù)問題就可以?！毙旃疸y說。

碳材料的選擇是研究團(tuán)隊(duì)面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)，在碳材料的選擇上，研究團(tuán)隊(duì)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(yàn)過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)其他碳材料產(chǎn)生的熱沒有碳泡沫（碳?xì)饽z）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(xù)放熱

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

綜合來看，碳泡沫具有良好的表觀電導(dǎo)率，并且孔隙率較好，能充分吸收微波。在多種材料實(shí)驗(yàn)和比較后，研究團(tuán)隊(duì)選擇了碳泡沫作為誘導(dǎo)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(yī)療廢物激增，白色污染對人類的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

當(dāng)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(yù)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(xiàn)，大概只能處理 10% 廢塑料，且需要預(yù)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。“催化劑對于原料要求較高，在前期對于原料的預(yù)處理的條件要求會比較苛刻，并且在處理過程中對環(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。這種方法無論對人類、動(dòng)物還是海洋生物都會有長期的危害。

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)過等離子體微波法處理塑料，轉(zhuǎn)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?xì)怏w總體積 50% 以上。

李巨表示，通常在焚燒過程中會產(chǎn)生大量二氧化碳，而該技術(shù)可以將塑料轉(zhuǎn)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(yīng)了目前提倡的碳減排、碳中和的方向，營造 “無廢時(shí)代”。

“我們現(xiàn)在目前成功實(shí)驗(yàn)了口罩及工業(yè)上的廢棄物，其實(shí)農(nóng)場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，可以利用等離子體微波法把這些成分轉(zhuǎn)化為化工原料，從而實(shí)現(xiàn)廢固再利用?！?喬金樑說

與傳統(tǒng)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(yù)分選或洗滌，有利于低成本大規(guī)模應(yīng)用。

“分類會增加回收成本，大規(guī)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，無論什么成分的廢料經(jīng)過該方法都會被氣化，這是該技術(shù)將來能夠工業(yè)化的最大的優(yōu)勢?！?喬金樑說。

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(jī)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題?！靶鹿诓《靖街诳谡稚?，如果人們直接接觸這些廢棄口罩，就會有被感染的可能，用一些常規(guī)的技術(shù)處理也可能會有污染，而等離子體高溫處理不僅解決了污染的問題，同時(shí)還能將細(xì)菌轉(zhuǎn)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（來源：Environmental Science & Technology）

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

第四，可分離有機(jī)物和無機(jī)物。李巨認(rèn)為，該方法是將塑料轉(zhuǎn)化成小分子氣體，裂解的碳沉積在原來的泡沫上。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(fù)合材料、線路板等，而等離子體微波法可以真正地形成綠色循環(huán)。

未來應(yīng)用：距離實(shí)現(xiàn)工業(yè)化還有多遠(yuǎn)？

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

比如碳材料可以轉(zhuǎn)化為炭黑，用于橡膠制品或者塑料制品，實(shí)在沒用的再做掩埋處理。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(tǒng)獎(jiǎng)”，2006 年材料學(xué)會杰出青年科學(xué)家大獎(jiǎng)，2007 年度《技術(shù)評論》雜志 “世界青年創(chuàng)新（TR35）獎(jiǎng)”，2009 年美國金屬、礦物、材料科學(xué)學(xué)會 (TMS) “Robert Lansing Hardy” 獎(jiǎng)。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（APS）會士，2017 年入選材料研究學(xué)會（ MRS ）會士，2020 年入選美國科學(xué)促進(jìn)會（AAAS）會士。

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(xiàn)任東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長、纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。

喬金樑是中國石化集團(tuán)公司首席專家，曾任北京化工研究院副院長等職，從事基于基礎(chǔ)研究的技術(shù)創(chuàng)新工作近 40 年，取得多項(xiàng)原創(chuàng)成果。他已獲國內(nèi)外授權(quán)發(fā)明專利 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?yàn)楣δ芾w維與隔膜材料在能源儲存與環(huán)境修復(fù)中應(yīng)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等離子體微波法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

朱美芳認(rèn)為，等離子體微波法是 “變廢為寶、低碳環(huán)?！?的新技術(shù)。無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(yīng)用前景的新方法。

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

期望做 “取之不盡用之不竭” 的全循環(huán)

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

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

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

李巨認(rèn)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(yīng)聚焦粉塵的問題，即如何減少或完全消除粉塵在氣體的漂浮。

“應(yīng)思考如何能用最少的電能降解最多的有機(jī)物，在利用電能的有效性上，我認(rèn)為還有很大的優(yōu)化空間。如果這項(xiàng)技術(shù)真正走向大規(guī)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是研究的重點(diǎn)。”

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參考：

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