我们如何将石油转变为塑料

2021/1/27 10:10:56 来源:新浪科技 作者:叶倾城 责编:骑士

北京时间 1 月 27 日消息,据国外媒体报道,海洋学家查尔斯 · 摩尔称,只有我们人类才能制造出大自然无法消化的垃圾。据悉,1997 年他在太平洋航海勘测时发现了海洋垃圾带,这些垃圾主要是塑料垃圾。

大多数人联想到海洋垃圾时通常是进入视线范围的塑料制品废弃物,这些材料无处不在,我们人类每年生产大约 3 亿吨塑料,其中大约一半是一次性使用的,这意味着人们使用完塑料制品之后就会立即丢弃。通常大多数塑料垃圾被运送到垃圾填埋场进行处理,但其中一些垃圾被吹离,进入河流,最终流入海洋,事实上,平均每年大约有 800 万吨塑料污染物进入海洋,缠绕着海洋生物,污染了珊瑚礁,最终被水、风和阳光降解,分解成数以万亿计的微小塑料颗粒。

对于许多海洋物种来说,塑料颗粒看起来非常有吸引力,颇像食物,它们会以海洋污染物为食,最终因缺乏营养而饿死,微塑料表面也会吸引海洋中的污染物,并最终将这些污染物输送到动物体内,目前科学家仍在继续探索海洋垃圾产生的生物影响。微塑料也有可能对人类造成伤害,因为我们通过吃海鲜甚至饮用水摄入它们,2019 年,世界卫生组织呼吁展开深入研究,分析微塑料污染对人体健康构成的潜在影响。

支撑这一切的事实是:依据制造塑料所用的成分,塑料具有难以置信的弹性,而且可能永远不会真正地生物降解,近年来,科学家希望通过水中和土壤中的微生物,有效地将其还原为自然界中基本可重复使用的化合物。考虑到自然环境中存在的塑料污染,将形成更为清晰的问题,例如:大多数进入海洋的一次性塑料垃圾可能会停留数百年无法降解,这将对海洋环境构成严重威胁。

我们是如何制造这场持久性塑料危机的?答案就在我们制造塑料的过程中,但首先,最重要的是理解 “塑料”并不只是我们想象中漂浮在海水的购物袋,目前海洋中存在大量塑料垃圾碎片,甚至还污染了海底环境。

塑料是什么?

英国赫尔大学化学家卡尔 · 莱德肖说:“‘塑料一词’通常涵盖广泛的非均匀材料,每种材料各有不同的应用,并且具有不同的物理性质,现今我们已知的塑料材料已有 300 多种。”据悉,莱德肖参与赫尔大学塑料合作实验室项目,研究改进塑料工业的可持续性发展。

那么,如果塑料如此不同,它们有什么共同之处呢?它们是由聚合物组成,聚合物是由许多重复单元组成的分子,其结构赋予了塑料许多性能,例如:通常所具有柔韧性、延展性和强度,除此之外,塑料通常分为两大类:生物基塑料和合成塑料,生物基塑料的聚合物来自玉米淀粉、植物油和细菌等来源,合成塑料即用原油和天然气合成的聚合物。

尽管生物基聚合物听起来十分友好,但它们并没有良好的环境记录,因为它们可能会在环境中持续存在而无法生物降解,莱德肖解释称,并不是所有生物基塑料都是生物可降解聚合物,也不是所有的生物可降解塑料都是生物基,然而,石油和天然气衍生的材料造成的环境危害十分严重,因为这类塑料在环境中存在的时间更长,同时也会造成其他的环境影响。

为了理解其中的原因,我们来观察一个石油衍生塑料的实例:将牛奶瓶放入冰箱进行冷藏,这个塑料瓶开始了它的生命历程,事实上制造此类塑料的原材料并不简单,它们源自地球深处的原油,原油聚集在地壳内部的高压区域中,它们通过钻探头和泵装置传输到地球表面,再通过管道输送到炼油厂。原油的稠密物质是由碳氢化合物组成,碳氢化合物是由碳和氢原子组合,它们形成不同长度的链状结构,赋予其不同特性,这些碳氢化合物是地球上最早的塑料原料。

在炼油厂,塑料制品生产真正开始了,像糖蜜一样的原油在炉子上加热,依据碳氢化合物所含原子的数量以及由此产生的分子量,将它们分成不同的基团,然后将它们送入附近的蒸馏管中。在蒸馏管中,通常分子结构较长、较重的碳氢化合物沉积在底部,而分子结构较短、较轻的碳重化合物上升至顶部,最终原始被分离成几种不同的化学物质,例如:石油、汽油和石蜡,每一种都含有相似重量和分子长度的碳氢化合物,其中一种是石脑油,该化学物质将成为制造塑料的主要原料。

石脑油就像塑料生产中的金粉,因为它所包含的碳氢化合物中有乙烷和丙烯,这两种化合物对地球上最常见、最普遍的塑料产品的形成至关重要,包括用于制造牛奶瓶的塑料,但是要想制造出真正可以用于制造塑料的物质,乙烯和丙烯必须先将它们的烃类原料分解成更小的单元。

有不同的方法可以做到这一点,一种方法是在零氧环境中使用高温高压,该过程被称为 “蒸汽裂解”,它将碳氢化合物分解成更短的分子结构,其被称为单体。

专注于可持续聚合物材料的阿斯顿大学博士后研究员帕亚尔 · 巴赫蒂说:“像乙烷中的乙烯,都可以在热裂解后直接从石脑油中提取,最终提炼出来的乙烯和丙烯是制造塑料物质结构的重要原料。”

下一步研究是通过一种叫做聚合反应的过程展开的,在该过程中,那些单独的单体成分以新方式进行化学组合,产生较长的重复链,被称为聚合物,在该情况下,乙烯和丙烯形成了聚乙烯和聚丙烯,这是地球上两种最常见、生产最广泛的聚合物。

那么,为什么这两种聚合物如此受欢迎?聚乙烯的结构可用于制造不同密度的塑料,这意味着它可以是脆弱而柔韧,或者是坚固而坚韧的物质,因此它的用途非常广泛。此外,聚丙烯的结构也具有独特的灵活性和弹性,因此,我们每天能看到许多类型的塑料产品,聚丙烯主要用于制造一次性塑料用品,例如:牛奶瓶,日常生活所用的塑料包装、吸管、水瓶、购物袋、洗发水瓶、瓶盖等。

然而,这仅是几十种合成塑料中的两种,其他类型的碳氢化合物是从不同的来源中分离和分解出来的,不仅来自原油,也来自天然气,它们也被用于制造塑料,在某些情况下,聚合物可能是由单个单体重复组成,就像我们看到的聚乙烯和聚丙烯一样,或者它们可能包括几种类型的单体组合。

更重要的是,每一个聚合物链都将以不同方式进行加工处理,并与各种添加剂混合,其中包括:抗氧化剂、发泡剂、增塑剂、阻燃剂等,使它们具备各种的生态位功能,从而使塑料变得如此 “万能”。

巴赫蒂说:“不同的塑料具有不同的特性,以食品包装为例,它应该阻止过量的氧气和阳光,从而避免被降解,所以它含有添加剂使其降解,我们可以说,正是这些添加剂赋予了聚合物特性,才导致塑料的形成。”

最终这些塑料产业链创造了我们现今所拥有的塑料产品多样性,它们为食品生产和储存、化妆品、技术研发和医药保健做出了巨大贡献。

“外来材料”

现在让我们 “快进式”了解塑料产品的生产过程,从石油和天然气中合成的塑料,是通过分离碳氢化合物,分解成它们的组成部分,然后将这些部分重组在自然界中从未见过的全新形态。简单地讲,这是创造了一种 “外来材料”,这是地球水和土壤中的微生物所不熟悉的,巴赫蒂解释称,合成塑料中的碳主链无法被土壤细菌识别,这意味着它们无法被消化,并将其转化为水和二氧化碳。

莱德肖说:“聚乙烯这类物质在垃圾填埋场需要几个世纪才能分解,这意味着我们一生中制造的许多事物仍然保持着接近原始的形态,持久性并不是唯一的问题:随着塑料在阳光、水和风的影响下逐渐分解,石油和天然气衍生的塑料制品会释放出温室气体,并将生产过程中添加的化学物质重新返回环境中,我们需要特别关注一次性塑料污染的数量,加上其对环境长达数百年的持久性破坏,未来塑料制品造成的环境灾难可能更加严重。”

但也有办法摆脱这些堆积如山的塑料垃圾,莱德肖认为,生物可降解塑料是未来研究重点之一,这可能是一个潜在的解决方案,换句话说,制造可生物降解塑料并不一定意味着用玉米淀粉等生物原料生产塑料(尽管这可能提供一个解决方案),更具体地讲,该过程需要用聚合物来制造塑料,这些聚合物可以被水中和土壤中的微生物合理有效地分解。

如果要彻底改变塑料对地球环境的影响,生物可降解聚合物需要取代油性聚乙烯和聚丙烯,但同时也要保持传统聚合物的强度和柔韧性等性能,这正是它们如此受欢迎的原因,但这是一项艰巨的任务,因为传统聚合物在制造成本上仍然具有竞争力,这使得该任务更加棘手。

但近年来一些生物可降解的方案正在取得进展,一种是聚乳酸,它可用于制造杯子、餐具和吸管等一次性物品,一旦它进入人类生活环境,能更有效地生物降解,莱德肖认为,随着全球范围内对塑料制品的需求量持续增大,此类发明可能会逐渐增多。

在其他领域也有积极乐观的迹象,2016 年,研究人员发现一种能吃塑料的细菌,之后其他人员又发现能吃聚乙烯的蠕虫,此外,他们还发现能够分解塑料垃圾的酶物质。

莱德肖说:“或许未来几年里,我们将从这些细菌和蠕虫获得塑料分解和消化的能力,甚至能分解聚乙烯塑料袋,培育体型更大的蠕虫,它们可以吞食我们的塑料垃圾。”

无论如何,在制造塑料的过程中,人类设法从自然中获得原材料,并彻底改造它们,以至于自然无法消化它们,这是人类聪明才智导致的困境,现在我们希望通过研发新型技术改变这一切!

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关键词:石油塑料

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