塑料回收,咋就这么难

魏昕宇 2019-12-3120:06:27 评论 1,179 views

《塑料的世界》系列

刚刚过去的2018 年注定要成为塑料行业发展史上不同寻常的一年。新年伊始,我国政府正式禁止进口包括废塑料在内的多种固体废物。虽然我国政府早在2017 年夏天就向世界贸易组织通告了这一决定,禁令正式生效后,仍然让习惯了将塑料垃圾送出国门的欧美发达国家感到措手不及。在我国禁令发布几周后,欧盟委员会宣布,将投入大量资金,设法提高塑料回收的比例。在我国禁令发布几个月后,在加拿大魁北克举行的七国集团峰会上,七国集团中的加拿大、德国、法国、意大利和英国5 个成员国与欧盟一起签署了《海洋塑料问题宪章》,提出到2030 年实现全部塑料垃圾的回收再利用。

这一系列重要举措背后,是一个个令人感到尴尬甚至惊心动魄的数字:目前全世界范围内只有约21% 的塑料垃圾通过各种渠道实现了回收。即便在塑料回收做得相对较好的欧洲,收集到的塑料垃圾仍然有将近30% 进入垃圾填埋场,未能实现有效的再利用。与此同时,据估算,每年有800 万吨的塑料垃圾进入海洋,面对这些严峻的事实,人们不禁要问:塑料垃圾为什么无法得到有效的回收再利用?

这个问题恐怕无法用一两句话说清楚,因为塑料垃圾的回收是一个复杂的过程,需要方方面面的良好协作。不过让我们先从技术角度来分析一下,塑料的回收究竟存在着哪些障碍?

我们需要清楚,塑料垃圾究竟是通过哪些途径实现回收的?目前公认的塑料回收方法包括了自上而下的四级回收。

一级回收:将塑料垃圾重新加工成性能与初始的塑料制品相似的产品。

二级回收:将塑料垃圾加工成性能不同于初始产品的塑料制品或者将塑料垃圾与新合成的塑料原料混合后加工成塑料制品。

三级回收:将塑料垃圾转化为燃料或者化工原材料。

四级回收:将塑料垃圾转化为能源。

不难看出,在一级和二级回收中,我们只是改变塑料的物理形状,而在三级和四级回收中,塑料的化学结构也将发生变化。

如果按照这一流程走下来,每一块塑料垃圾都应该能够得到合理的利用,重新转化为生产所需的原材料,但这只是纸面上的构想,实际执行情况又是如何呢?

一、机械回收,难在哪里

一级回收和二级回收通常又合称机械回收,因为它们都是通过加热废弃的塑料使其熔融流动来实现塑料的再次加工成型。我们通常所说的塑料回收指的就是这两类回收。从字面描述上看,机械回收确实是颇为理想的一种回收方式,因为我们可以将塑料垃圾收集起来进行再加工,从而实现反复利用。机械回收占据了塑料回收的一级和二级的位置,也说明在研究人员和监管部门眼中,它们确实是塑料垃圾首选的回收途径。

然而令人遗憾的是,尽管从政府到民间都在不断努力,塑料机械回收的实行情况仍然不尽如人意。例如欧洲是机械回收执行较好的地区,但塑料回收率也不过30% 左右。而在美国,只有不到9% 的塑料垃圾通过机械回收的形式被再利用。那么问题出在哪里呢。要找到这个问题的答案,我们需要站在从业者的角度设身处地思考一下。

设想你拥有一家加工塑料制品的工厂,平时你都是向厂家购买新的塑料原料进行加工,但现在有人把一大车塑料垃圾近乎免费地送进来,这让你很开心。因为这意味着你可以把原材料成本砍掉一大块,从而使得你的产品在市场上占有价格优势。然而你绝对不可以为了贪便宜而把这些塑料垃圾一股脑收下来,有几样必须毫不客气地拒之门外。

热固性塑料的垃圾,像什么美耐皿做的餐具、环氧树脂做的风车叶片,是万万不能收的。前面我们已经提到,这一类塑料不具备在高温下流动的能力,显然无法通过熔融来进行再加工。把它们收进来只能给你添乱。

但即便收上来的垃圾全部是热塑性塑料,你仍然要加以小心。如果塑料垃圾里包含着不同类型的塑料,你一定要让对方先把它们分门别类区分开。这是因为不同种类的塑料通常不能互溶,如果直接将它们混合起来进行再加工,由此得到的塑料制品的性能会大打折扣。如果对方不肯花时间把垃圾事先分类,你也可以考虑让你的员工来做这件事情。因为目前许多塑料制品都已经依照美国塑料工业协会在1988 年提出的塑料编码系统,在产品上打上相应的编码。你的员工一看编码就知道哪些是聚乙烯,哪些是聚丙烯等。另外,许多新型的塑料回收设备通过化学结构、密度、颜色等差别,不仅可以将塑料和非塑料的垃圾分开,还可以尽可能地将不同类型的塑料分开。但或许你的工厂还没有配置这样的高级设备,让员工手动分拣塑料垃圾也并不划算,所以对不起了,这批塑料垃圾别说免费赠送,倒给钱你也不能接受。

塑料回收,咋就这么难

目前较为常用的塑料编码系统将常见塑料分为7 类,各数字的对应关系为:1 代表聚对苯二甲酸乙二醇酯;2 代表高密度聚乙烯;3 代表聚氯乙烯;4 代表低密度聚乙烯;5 代表聚丙烯;6 代表聚苯乙烯;7 代表其他

在将塑料垃圾分类的时候你还要当心一点:塑料制品的生产商为了达到满意的性能,常常会在一件塑料制品里使用多种塑料。例如用来装碳酸饮料的塑料瓶,瓶身用是聚对苯二甲酸乙二醇酯,瓶盖却是高密度聚乙烯做的,如果不加注意混到一起,势必会影响新产品的性能。当然,这种情况处理起来并不难,只要把瓶盖拧下来单独存放就好了。但在另外一些塑料制品中,不同类型的塑料已经结合成为一个有机的整体,例如一些食品包装用的薄膜看上去只有一层,实际上是不同的塑料层层叠加而来,即所谓的共挤出薄膜。这样的塑料制品,你是很难将不同的塑料分开的,所以别心软,一定要拒之门外,否则就是给自己找麻烦。

现在不同类型的塑料完全被区分开了,你可以长舒一口气了?恐怕还是不行。因为此时的塑料垃圾中虽然没有了其他种类塑料的干扰,但不同的生产厂家在加工塑料制品时,为了让产品符合要求,往往要向塑料中加入化学组成和比例都不尽相同的添加剂,例如增塑剂、阻燃剂、颜料、无机填料等,这些也是令人头疼的因素。比如你的工厂可能主要生产无色透明的塑料制品,而收集到的塑料垃圾里大量的却是花花绿绿的有色塑料制品,那你一定要三思而后行,因为与其花工夫把颜料从塑料中分离出去,还不如直接买新的原料,不仅成本上更加合算,而且产品质量也更有保障。

另外,像一次性塑料购物袋、塑料薄膜、发泡塑料餐具这样的塑料垃圾,我劝你也不要收下。因为这些塑料制品密度太低,辛辛苦苦拉了一大车,结果放到机器里还不够生产一个塑料瓶子的量。而且那些快餐盒和塑料盘子上面往往沾满了油污和食物残渣等非塑料类的垃圾,必须花费大量的人力物力清洗干净,何必要费力不讨好呢?这些塑料制品,厂家不愿意回收,消费者自然缺少动力去收集,于是它们在废弃后就容易进入环境。偏偏这些塑料垃圾又很轻质,容易随风顺水跑得满世界都是,成了白色污染的主力军。近年来,一次性塑料袋和发泡塑料餐具在许多地方被禁止使用,也就不难理解了。

好了,忙碌了一天,你自己看看真正能有多少塑料垃圾被回收?现在你应该理解了,为什么回收比例比较高的只限于为数不多的易于收集且成分相差不大的塑料制品。例如聚对苯二甲酸乙二醇酯的软饮料瓶就是回收较为成功的塑料制品。得益于遍布大街小巷的废饮料瓶回收系统,聚对苯二甲酸对乙二醇酯的回收再利用率在所有的塑料中最高,接近20%。除了聚对苯二甲酸乙二醇酯,高密度聚乙烯的回收也相对容易,回收率在10% 左右。当然,即使是这样的数字仍然距离我们的期望有很大差距,但相比聚氯乙烯、聚苯乙烯等塑料近乎零的回收率,你就应该知足了。

塑料回收,咋就这么难

一位消费者正在回收塑料饮料瓶 图片来源:http://www.ebeijing.gov.cn/BeijingInformation/BeijingNewsUpdate/t1292114.htm

经过一番折腾,你终于收集了足够的可以被再次加工的塑料垃圾。但在你准备开动机器之前,我还必须要提醒你的是,理论上塑料可以被无限次地再加工成各种形状,但实际上在加工过程中,高温及机械力的作用都会导致塑料的化学结构遭受一定程度的破坏,从而使得塑料制品的性能逐渐下降。例如仅仅经过三次再加工,聚对苯二甲酸乙二醇酯的韧性就下降到不到原来的1%。因此,如果你收集了一大堆聚对苯二甲酸乙二醇酯材质的废饮料瓶,最好不要幻想着能够把它们再次加工成新的饮料瓶,还是退而求其次,生产些地垫、户外家具什么的比较现实。这就是为什么机械回收要细分为一级回收和二级回收—进入二级回收的塑料垃圾,其价值已经大不如前。由于反复回收再加工导致的性能下降,塑料垃圾会从抢手的香饽饽沦落为市场的弃儿。此时,我们就需要寻找新的处理手段了。

尽管塑料回收在实际操作中面临着不少技术上的难题,它仍然是处理塑料垃圾最好的手段。因此,近年来在世界各地,从政府到塑料行业的研发人员都在试图通过技术上的创新来提高塑料回收的比例,其中比较引人瞩目的是所谓的“增容剂”,即能够促进不同类别的塑料更加相溶的添加剂。例如聚乙烯和聚丙烯这两种非常重要的塑料,虽然化学结构差别不大,却极难混合。当它们一起出现在塑料垃圾中时,就会给回收者带来不小的难题。来自美国康奈尔大学和明尼苏达大学的研究人员想到,可以利用由聚乙烯和聚丙烯组成的嵌段共聚物来促进聚乙烯和聚丙烯的混合。这种嵌段共聚物的分子中一部分亲近聚乙烯,另一部分则亲近聚丙烯,因此当它与两种均聚物相遇时,就像一位热心的红娘,把一对原本陌生的青年男女拉近,促进两人结下情缘。实验表明,如果直接将聚乙烯和聚丙烯混合,加工出的塑料制品性能很差,但只需要向聚乙烯和聚丙烯的混合物中加入少量聚乙烯- 聚丙烯嵌段共聚物,重新加工出来的塑料的性能就会有显著的提升。毫无疑问,这种嵌段共聚物不仅能够更好地促进聚乙烯和聚丙烯的回收,还有可能通过混合实现强强联合,打造性能比聚乙烯和聚丙烯都优越的新材料。

当然,无论我们如何努力,总是有一部分塑料制品在废弃后无法通过机械回收的方式来消化。对于这部分塑料垃圾,我们就需要通过三级和四级回收的方式加以处理。

二、变成单体从头再来

既然塑料的机械回收存在着不同类别的塑料分离困难,以及反复加工造成塑料的化学结构发生破坏、机械强度下降等问题,我们有没有可能通过一定的方法,例如高温降解,将塑料重新分解为对应的单体,然后再次聚合成新的塑料呢?这就是所谓的化学回收。与机械回收相比,化学回收看似更加麻烦,但实际上有着两个潜在的优势:首先,由于经过了“塑料- 单体- 塑料”这样一个流程,我们可以保证重新合成出的塑料的化学结构与初始的塑料一模一样,从而保证了再生的塑料各方面的性能不会下降。理论上,通过化学回收,我们可以实现塑料制品无限次的循环。其次,如果收集到的塑料垃圾包含不同类别的塑料,我们可以将它们转化成对应的单体再进行分离。分离小分子的混合物要比分离高分子的混合物容易得多,例如通过蒸馏的方法,我们可以很容易地将沸点不同的化合物分开。这样一来,不同的塑料在回收过程中可以做到“井水不犯河水”,避免了再生过程中的互相干扰。因此,化学回收也颇受研究人员的重视,希望它能够有效解决白色污染的问题。

然而当你真正进入实际操作,就会发现塑料的化学回收远非想象的那么简单。目前广泛应用的常规塑料,虽然有些确实可以比较顺利地分解,例如聚对苯二甲酸乙二醇酯与乙二醇或者甲醇反应,尼龙与氨气反应,都可以得到对应的单体。但大多数常见的塑料化学性质都非常稳定,当我们试图将其重新分解为单体时,它们绝不会乖乖就范。相反,一些新合成的塑料倒是很容易降解,但是性能却又不尽如人意,特别是热稳定性往往不太好。如果用这样的塑料制成产品,或许使用过程中一不小心,它们就“不辞而别”,降解为单体了。如何破解这种两难的局面,对科学家们来说是一个不小的挑战。

前不久,来自美国科罗拉多州立大学的华人学者陈有贤(音)带领的研究团队经过反复摸索,发现一种代号为3,4-T6GBL 的单体聚合后得到的塑料其性能与目前常用的生物可降解塑料聚乳酸相仿,因此可以代替现有的塑料用于许多应用场合。这种塑料在300℃的高温下能够重新降解为单体,而降解得到的单体又可以再次聚合为塑料。如果使用氯化锌作为催化剂,降解只需要在120℃的条件下就可以进行。这一发现经顶级学术刊物《科学》报道后,在世界范围内引起了轰动。很显然,它重新燃起了人们通过化学回收解决废弃塑料的希望。不过考虑到这项研究仍然处于初始阶段,这种新的塑料能否获得厂家和消费者的认可,恐怕还有待观察。

三、烧掉:塑料垃圾的另一个归宿

如果机械回收或者降解为单体都不可行,塑料垃圾还有一条出路,那就是转化为能源。塑料的原料主要来源于石油、煤、天然气等化石能源,因此它们也基本保留了可燃的特性,许多塑料的燃烧热甚至与汽油相当。因此,在塑料制品结束它们的使命之后,我们完全可以设法将蕴含在塑料中的能量释放出来。而且与降解为单体类似,将塑料转化为能源这种回收手段能够更好地处理混合塑料垃圾。

将塑料转化为能源最简单的办法就是直接焚烧,即塑料的四级回收。事实上,通过焚烧包括塑料在内的生活垃圾来发电或者供暖一直是处理塑料垃圾的一种手段。但直接燃烧弊端很多,例如塑料常常不能燃烧完全,会产生大量污染环境的固体颗粒。因此提高塑料焚烧设备的燃烧效率是非常有必要的。

除了直接焚烧,更好的方法是将塑料通过降解来转化为液体或者气体形式的燃料。一种常见的方法是裂解,即在隔绝氧气的情况下将塑料加热到几百摄氏度的高温。由于缺乏氧气,塑料无法燃烧。相反,它们会发生分解,分解产物除了一部分固体残渣,大部分会变成气态和液态的有机物,可以作为燃料使用,也可以用作化工生产的原料。不难看出,裂解也属于化学回收的范畴,只不过在裂解过程中,我们并不要求塑料必须分解为对应的单体,因此实施起来难度要小很多。不过同将塑料降解为单体一样,通过裂解塑料获取燃料也需要在高温下进行,同样需要消耗不小的能源。因此,这一类塑料回收技术今后发展的重点是如何通过优化条件,特别是通过使用高效率的催化剂,让塑料能够在更低的温度下被分解。近年来,科学家们在这个方向上做出了不少有益的探索。例如聚乙烯的裂解通常需要在400℃的高温下才能顺利进行,但前不久,来自中国科学院上海有机化学研究所和美国加利福尼亚大学尔湾分校的研究人员通过选择合适的催化剂,成功地在不到200℃的温度下将聚乙烯转变为燃油,这无疑是可喜的进展。

与机械回收相比,塑料的三级和四级回收在各种塑料回收手段处于优先级更低的位置,甚至很多时候不被看作塑料回收体系的一员。这主要是因为理论上这两种回收方式带来的价值不如机械回收,特别是如果将塑料转化为能源,烧掉之后就没有了,而机械回收则可以保证塑料垃圾被反复利用。但实际操作中,由于不同类型的塑料垃圾往往混合在一起,进行机械回收往往难度很大甚至完全不可行。在这种情况下,将塑料垃圾转化为能源或者其他化工原料反倒成了一个更好的选择。毕竟不管你是聚乙烯也好,聚丙烯也好,在熊熊的烈焰下都不会有太大的差别。正是由于这个原因,塑料的三级和四级回收,特别是三级回收,在近年来颇受重视。目前在欧盟,有超过40% 的塑料垃圾最终转化为能源。这一部分塑料垃圾不能重新变成塑料制品,固然有些可惜,但比进入填埋场或者污染环境还是强太多了。

不过,虽然塑料的三级和四级回收对于混合塑料垃圾的处理能力要大大强于机械回收,但是对混合塑料也做不到无止境的包容。以裂解为例:我们都知道,汽油、柴油等来自化石能源的燃油,成分是只含有碳和氢两种元素的有机物,即通常所说的烃类。因此,如果塑料只含有碳和氢,就比较容易通过裂解产生高质量的燃油,例如聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯都是如此。但如果塑料中除了碳和氢还含有其他元素,裂解的结果往往就不够理想。例如聚对苯二甲酸乙二醇酯由于含有氧,裂解时会产生酸性物质腐蚀设备,而聚氯乙烯由于含有氯,裂解时会产生腐蚀性更强且有毒的盐酸,通常必须事先进行脱氯才能裂解。使用中有增塑剂逃逸的问题,回收时又有一大堆麻烦事,这也难怪聚氯乙烯愈发不受人待见。由此可见,即便是化学回收和塑料焚烧,事先的分类往往仍然是很有必要的。

塑料回收的潜力是巨大的。据估算,每回收1 吨的塑料垃圾,我们可以节约1.3 亿千焦的能量。如果全世界的塑料垃圾都得到合理的回收,每年节省下的能源相当于35 亿桶原油,价值约1760 亿美元。可见,蕴藏在塑料垃圾中的是巨大的财富。因此,我们需要尽全力去攻克塑料回收中存在的种种技术难关。

当然,塑料回收的顺利进行也离不开每一位消费者的参与和配合。哪怕我们手中的技术再先进,如果你仍然习惯于把塑料垃圾随手丢弃,那仍然会让科学家们的心血付诸东流。所以呢,希望各位读者在读完这一节后认真行动起来,自己作为一名普通消费者无能为力,但至少你可以做到不乱扔垃圾,并认真参与本地的塑料回收项目,为保护我们的环境尽一份力。

(本文节选自作者所著《塑料的世界》一书,科学出版社2019年5月出版,购书链接见https://item.jd.com/12530277.html

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