PET瓶转变为“吃”CO₂的资料废塑料化学收回和高值化再运用最新效果丨Science Advances

  研讨人员经过氨解反响将抛弃PET塑料化学再运用，成功组成出一种新式的固态二氧化碳吸附资料——双氨基酰胺（BAETA）及其低聚物（OLs）。BAETA展现出优异的二氧化碳挑选性、在高温下的耐热性（250°C），以及杰出的循环运用才干（多达150次循环）。该资料可以在烟道气（5-20% CO₂）和空气（400 ppm CO₂）中高效捕集二氧化碳，即便在湿润条件下也不影响其吸附才干。本研讨验证了从未经处理的消费级废PET（1千克）中大规划制备该资料的可行性，为塑料污染与碳排放问题供给了潜在的两层解决计划。

  PET是现在世界上最常见的塑料之一，年产量已达7000万吨，占全球塑料总产量的18%。但是，其间约85-90%的PET终究进入燃烧或填埋处理环节，仅有10-15%被真实收回，而这些收回方法多为机械收回或化学裂解，其本钱高、功率低、市场需求弱。

  另一方面，为应对气候均匀状况随时刻的改变，全球亟需大规划布置碳捕集与封存技能（CCS）。估计到2050年，全球每年需铲除15~26亿吨CO₂才干完成净零排放方针。该布景下，开发新式、廉价、可继续的固体CO₂吸附资料显得很急迫。

  本研讨的立异点在于将废PET直接化学转化为可重复运用的CO₂吸附资料，打通塑料收回与碳捕集两大环保痛点，表现了“资源闭环”与“负排放”理念的完美结合。

  图1. 从头运用PET塑料废物来捕获二氧化碳。（A）PET生命周期和项目动机。（B）将PET晋级循环为可扩展的碳捕获资料的代替废物缓解[X=N(H)或O]

  研讨团队挑选了1,2-乙二胺（EN）作为氨解剂，将未经处理的PET饮料瓶剪碎清洗后直接反响。试验优化条件如下：

  研讨进一步测试了不一样的PET废料，包含食物包装、玩具填充物、纺织品等。并进行了1公斤等级的大规划反响，产出800克BAETA与OLs混合物，验证了工艺的可扩展性。

  此外，在混合家庭废物中（包含食物残渣、纸张、塑料薄膜、橡胶手套等）仍然能挑选性分化PET并得到38%的BAETA产率，显现了该工艺在杂乱废物流中的鲁棒性。

  图2. PET废物经过氨解晋级循环为固体CO2吸附剂。（A）文献中的PET氨解。TBD，1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸-5-烯。（B）在优化条件下运用EN进行PET氨解的反响计划。（C）氨解反响中运用的PET来历，包含饮料瓶、食物包装、玩具填充资料和纺织品，沿着得到的BAETA + OL的产率。（D）在室温下，运用2摩尔当量的EN，将PET氨解反响按份额扩大到1 kg PET底物。（E）经过将PET与普普通通的家庭废物混合进行的挑选性PET氨解反响。

  热重剖析（TGA）显现，BAETA在空气中能安稳至220°C，在250°C开端分化；OLs则安稳至300°C。这一耐热性远超传统液态胺（如MEA），后者在100°C左右即开端分化。NMR与电子衍射研讨标明，CO₂与BAETA构成安稳的氨基甲酸盐结构，且因为其非对称结构和丰厚的氢键，赋予其杰出的耐热性和重复运用才干。

  在相对湿度（RH）0–100%的环境下，BAETA表现出湿度越高吸附才干越强：

  在75% RH下继续运转13天，可捕集0.063 g CO₂，功率达88%，展现出超卓的空气捕集才干。

  图3. BAETA和OL的安稳性和CO2捕获功能。（A）在90 ml/min的100%N2流速下，加热速率：1 ℃/min，BAETA-CO2-CO2加合物与二胺-CO2-加合物的耐热性比较。（B）BAETA在各种温度下的CO2吸收曲线流量。（C）在模仿烟道气条件下150°C下的CO2吸收（15% CO2 +压缩空气：78%氮气，21%氧气，~1%氩气，（D）BAETA的氧化安稳性及其在100 ℃下重复露出于空气后的CO2捕获功能;在150°C、90 ml/min、100%CO2流用于吸赞同100%N2用于解吸下进行CO2捕获。（E）在150°C、90 ml/min、15%CO2 + 85%N2流用于吸赞同100%N2用于解吸下的再循环性曲线。（F）运用粒状BAETA的CO2吸收（在150 ℃，90 ml/min，15%CO2 + 85%N2流用于吸赞同100%N2用于解吸）。（G）在室温下在1 atm CO2下在不同RH水平下的CO2吸收。（H）在75%RH和室温下的DAC功能。蓝色：捕获柱前空气中的CO2浓度;紫色：BAETA过滤器后处理空气的CO2浓度。

  图4. BAETA在CO2吸收过程中的结构改变。（A）BAETA在CO2捕获条件下的氨基甲酸酯构成反响。（B）BAETA的FTIR光谱：DAC后（勃艮第），在150°C下热CO2捕获后（紫色），和贫BAETA（蓝色）。（C）固态15 N和13 C（仅羰基区域）运用1H 15 N CP（左）、1H 13 C CP（中）和具有13 C符号的CO2的1H 13 C CP（右）的BAETA（蓝色）和BAETA-CO2（品红色）的CP/MAS NMR谱;弥补资料第4.3节中的全光谱。（D）经过ED获得的BAETA-CO2的结构。氮原子和氧原子之间的绿色线表明氢键（N-H···O）的间隔，测量值在2.7和2.9Å之间。

  本研讨的最大立异在于提出了一种将消费级PET废料直接“化学增值”为高功能CO₂吸附资料的可行途径，具有以下要害打破：

  两层环境问题一体化解决计划：将塑料污染与碳排放这两大难题经过一体化技能协同应对，极具战略价值。

  资料功能优异：BAETA展现出极高的热安稳性、耐氧化性和重复运用才干，明显优于传统液体胺和部分商业固体吸附剂。

  工艺简洁且具可扩展性：从饮料瓶等常见PET废物中提获得率可观，反响条件温文，合适工业化扩大。

  结构明晰机制明晰：经过固态NMR和电子衍射等手法，初次提醒了其非对称氨基甲酸盐结构构成的分子机制，供给了规划新式吸附资料的理论依据。

  总的来看，这项研讨不仅在试验科学上极具打破性，也为“碳中和”与“循环经济”供给了可操作的技能途径，具有重要的社会价值和产业化远景。