根据燃料的性质和大气污染物的组成

塑料降解不需要再等500年！辐照8秒，微波330瓦，塑料可以变成燃料！

近期，麻省理工学院（MIT）李巨教授课题组联合东华大学朱美芳院士、中国石化集团公司乔金棵教授、蒋海斌教授等，共同研发了用微波等离子体高温快速炭化塑料的新技术。

近日，美国麻省理工学院(MIT)李菊教授课题组，联合东华大学朱院士、中石化乔教授、蒋海滨教授等，共同开发了微波等离子体高温快速碳化塑料新技术。

2021年4月6日，相关研究发表在《环境科学与技术》(Environmental Science Technology)杂志上，标题为“自持久性碳泡沫微波等离子体将碳氢化合物废物转化为有用的燃料和化学品”。本文通讯作者为李菊、朱、乔，第一作者为麻省理工学院博士后许。

该团队开发了一种碳泡沫微波等离子体技术，利用等离子体放电。在微波330E条件下，白色污染(电池废膜、未分类塑料、废纺织纤维、废口罩等。)辐射8秒后可转化为高价值的气体原燃料和少量的无机矿物质和固体碳。

李菊说，这项技术的总体思路是利用移动微波和电价较低的优势来治理白色污染。

“在将塑料转化为燃料后，含氢较多的气体就出来了，我们发现剩下的碳是纳米结构，可以像自繁殖一样继续放电，且效率比以前高。而塑料里的一些无机物的颗粒，比如氧化硅、氧化铝，最后可以同碳一起，像煤那样埋在矿坑里。”

“塑料转化为燃料后，含有更多氢气的气体就出来了。我们发现剩余的碳是纳米结构，可以像自我复制一样继续放电，效率比以前更高。而塑料中的一些无机颗粒，比如二氧化硅和氧化铝，最终可以像煤一样和碳一起埋在矿井里。”

利用等离子体产生的高温处理废塑料

许说:“我最初的研究领域是能源。做实验的时候和李菊教授商量，可以试试隔膜。因为隔膜里有很多有毒物质，比如有机电解液，氟化锂等。常规的化学循环会损坏和污染设备，并对人造成一些伤害，所以考虑了这种方法。”

柯桥认为，这项研究的核心技术是李菊教授提出的用等离子体处理废塑料。“这是将技术提升到一个新的理论高度，在此之前，我们还没有考虑加热的原理。当你知道废塑料被等离子体产生的高温降解后，你就会知道如何更容易产生等离子体。”

这项研究过程中面临两个挑战性的问题：装置的安全性和碳材料的选择。“我们把装置设计在微波炉里，其实它是局部放热的，那么只要将碳存在的地方，做好安全防护问题就可以。”徐桂银说。

在这项研究中有两个具有挑战性的问题:设备的安全性和碳材料的选择。“我们在微波炉中设计了这个装置。其实是部分放热的，所以只要有碳存在的地方，我们就能做好安全防护。”许对说道。

碳的选择是研究小组面临的另一个挑战。在碳材料的选择上，研究团队尝试了碳泡沫、价格较高的碳纳米管和价格较低的石墨。

研究人员在实验过程中发现，其他碳材料产生的热量不如碳泡沫(碳气凝胶)产生的热量。而且碳纳米管或石墨等材料产生的等离子体是间歇性的，而碳泡沫可以持续放热。

另外在产生等离子体的过程中也会有震动。如果碳材料在高温下容易破碎或机械性能不好，会导致处理效果不佳，影响其使用寿命。

总的来说，碳泡沫具有良好的表观电导率和孔隙率，可以充分吸收微波。经过多种材料的实验和比较，研究小组选择碳泡沫作为诱导等离子体的材料。等离子微波法:一种可以“吃干榨净”白色污染的方法。

随着新冠肺炎疫情的爆发，塑料和医疗垃圾的数量急剧增加，白色污染对人类和生态系统的可持续发展构成了严峻挑战。

目前白色垃圾的回收方法有化学回收、物理回收和焚烧，这些方法都需要进行预分拣和洗涤或释放二氧化碳。乔说，近年来，物理回收的局限性已经显现，只能处理10%左右的废塑料，而且需要进行预分类，成本较高。

但是化学循环需要催化剂，而催化剂的寿命限制了化学循环的发展。“催化剂对原料的要求很高，前期对原料的预处理要求会比较苛刻，处理过程对环境条件的要求也很高。如果处理不当，催化剂很容易失活。所以化学循环处理成本高。”蒋海滨说。

不可回收的废塑料通常采用掩埋和焚烧的方式处理，不可降解塑料在自然循环中降解通常需要500年以上。这种方法会对人类、动物和海洋生物造成长期伤害。

等离子微波法在整形掩埋的治疗中也能起到积极的作用。塑料经等离子体微波法处理后，转化的气体产物包括氢气、一氧化碳、甲烷、乙烯、丁烯等。，其中以氢气和一氧化碳为主，占总气量的50%以上。

李菊说，焚烧过程中通常会产生大量的二氧化碳，这项技术可以将塑料转化为有用的化工原料，主要是氢气和一氧化碳。此外，剩下的固体可以埋在空的矿井里挖出来做人工煤，也符合当前提倡的碳减排、碳中和的方向，开创了一个“无废时代”。

“现在我们已经成功地用口罩和工业废料做了实验。事实上，农场有许多废物需要回收利用。如含氮的鸡毛、含氮的生物质等。未来可以通过等离子体微波法将这些成分转化为化工原料，实现废弃固体的再利用。”柯桥说。

与传统的化学和物理处理方法相比，等离子体微波法的优点如下:

首先，白色污染处理不需要预分选或洗涤，有利于低成本大规模应用。

“分类会增加回收成本，大规模产业化的可能性会更大。等离子体微波法最大的优点是不需要分类，而且不管废料的什么成分经过这种方法都会被气化，这是这种技术未来可以产业化的最大优势。”柯桥说。

其次，应用范围广，可用于所有材料。乔金科说，它不仅适用于塑料、橡胶、纤维等合成材料，而且适用于所有有机废物(包括气体和液体)。

许表示，此次疫情的爆发，在废旧口罩的处理上面临诸多问题。“新冠肺炎是连着面具的。如果人们直接接触这些被丢弃的口罩，他们可能会被感染。一些传统技术也可能造成污染。等离子体高温处理不仅解决了污染问题，还将细菌转化为燃料。”

第三，具有连续性，且利用率高达85%。这项技术最大的好处是可以随时停、随时开。“它解决了太阳能、潮汐能、风能等因间歇性而难以入网利用的问题，实现把绿色的能源真正有效地利用起来，是最节能、可持续的方法。所以，它可以成为一种新的储能方法。”乔金棵说。

第三，具有连续性，利用率高达85%。这项技术最大的优点是可以随时停止和启动。“它解决了太阳能、潮汐能、风能等问题。由于间歇性而难以接入网络，是实现绿色能源真正有效利用的最节能、最可持续的方法。因此，它可以成为一种新的储能方式。”柯桥说。

第四，有机物和无机物可以分离。李菊认为，这种方法是将塑料转化为小分子气体，裂解的碳沉积在原来的泡沫上。这样，有用成分和污染物被分离，污染物被固化。

柯桥说，目前，很难解决一些材料的回收利用，如风力发电、碳纤维复合材料、电路板等。，而等离子体微波法才能真正形成绿色循环。未来:离工业化还有多远？

乔说，这项技术的终极思路是做一个“全循环”，将矿物转化为人们使用的东西，实现大量回收利用。不可回收的部分可以通过微波方法回收成有用的气体和无害甚至有用的成分。

例如，碳材料可以转化为炭黑，用于橡胶制品或塑料制品。如果真的没用，可以埋了。所以这是一个把白色污染全部“吃干榨净”的办法。

等离子体微波技术是多学科、多单位合作共同推动的。

李巨是材料科学家、MIT终身教授。曾获2005年美国”青年科学家工程师总统奖”，2006年材料学会杰出青年科学家大奖，2007年度《技术评论》杂志“世界青年创新（TR35）奖”，2009年美国金属、矿物、材料科学学会（TMS）“Robert LansingHardy”奖。入选汤森路透/科睿唯安全球高被引科学家及Webometrics h>100名单。2014年被选为美国物理学会（APS）会士，201 7年入选材料研究学会（MRS）会士，2020年入选美国科学促进会（AAAS）会士。

李菊是一名材料科学家，也是麻省理工学院的终身教授。2005年获美国青年科学家工程师总统奖，2006年获材料学会杰出青年科学家奖，2007年获《技术评论》杂志世界青年创新奖(TR35)，2009年获美国金属、矿物和材料科学学会(TMS)TMS)“罗伯特·兰辛哈迪奖(Robert LansingHardy Award)。入选汤森路透/克鲁安全球高被引科学家和网络计量学h>100榜单。2014年当选美国物理学会(APS)院士，201 7年当选材料研究学会(MRS)院士，2020年当选美国科学促进会(AAAS)院士。

朱是中国科学院院士，也是发展中国家科学院院士。现任东华大学材料科学与工程学院院长，纤维材料改性国家重点实验室主任。

许在麻省理工学院从事博士后研究。他的研究方向是功能纤维和隔膜材料在储能和环境修复方面的应用。

乔说，这项技术为环境资源的循环利用提供了新的思路。例如，液体和气体废物可以通过等离子体微波方法转化。

朱认为，等离子微波法是一项“变废为宝、低碳环保”的新技术。无论从理论深度还是技术先进性来看，都是一种极具工业应用前景的新方法。

“我认为塑料制品(包括化纤制品)的大规模低碳回收是一个非常重要的方向，应该寻找更合适、更科学的合作，以求更好的发展。如果技术走向产业化，可能会面临很多新的挑战，但未来是有希望的。希望在市场驱动和社会需求下，加强各方面的合作，让先进的科技真正造福人类。”朱对说:期望做一个“取之不尽，用之不竭”的完整循环

在秸秆处理的过程中，如果焚烧会造成很大的环境污染，如果掩埋也会破坏地质。柯桥认为，下一步应该扩大秸秆处理技术。

“现有技术处理三大合成材料的难度还是比较大，如果未来能用等离子体微波法处理秸秆，那么太阳能产生秸秆，秸秆又可以转化成我们需要的能源，这才是可持续发展模式，是‘取之不尽用之不竭的全循环。”乔金棵说。

“在现有技术中处理三种合成材料还是相当困难的，如果未来可以用等离子体微波的方法处理秸秆，那么太阳能就会产生秸秆，可以转化成我们需要的能量。这才是可持续发展模式，是取之不尽的全循环。”乔金科说道。