白色垃圾变燃料！MIT李巨教授领衔开发等离子体微波法专访

　　塑料降解不需要再等 500 年！ 辐照 8 秒，微波 330 瓦，就能实现塑料变燃料！
　　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樑教授、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。
　　图丨相关论文（来源：Environmental Science & Technology）
　　4 月 6 日，相关研究以 ＂Self-Perpetuating Carbon Foam Microwave Plasma Conversion of Hydrocarbon Wastes into Useful Fuels and Chemicals＂ 为题发表在  Environmental Science & Technology  。该论文通讯作者为李巨、朱美芳、乔金樑，第一作者是 MIT 博士后徐桂银。
　　图丨用碳泡沫微波等离子体处理白色污染的工业过程（来源：Environmental Science & Technology）
　　该团队研发了一种碳泡沫微波等离子体技术，该技术利用等离子体放电，在微波 330 瓦条件下，可使白色污染（电池废隔膜、未分类的塑料、废旧纺织纤维、废弃口罩等）辐射 8 秒钟后，转化为高价值气体原燃料和少量无机矿物和固体碳。
　　图丨白色污染的主要裂解气体成分（来源：Environmental Science & Technology）
　　李巨表示，该技术的总体想法是通过流动式的微波，利用电价格较低的优势进行白色污染的处理。
　　＂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。＂
　　用等离子体产生的高温处理废塑料
　　徐桂银对 DeepTech 表示，＂我原来研究的领域是能源，在做实验的时候与李巨教授商量，可以尝试一下隔膜。因为隔膜里面有很多有毒的物质，比如说有机电解液、氟化锂等。用常规的化学循环，会对设备损坏污染、对人员有一定危害，所以考虑了这个方法。＂
　　乔金樑认为， 这项研究最核心的技术是李巨教授提出用等离子体处理废塑料。 ＂这是将技术上升到理论的新高度，而在此之前我们没考虑过加热是什么原理。当了解到由等离子体产生的高温来废塑料降解后，也就知道如何能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。
　　碳材料的选择是研究团队面临的另一个挑战，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等材料。
　　在实验过程中，研究人员发现其他碳材料产生的热没有碳泡沫（碳气凝胶）效果好。并且碳纳米管或石墨等材料产生的等离子体是间断性的，而碳泡沫可以持续放热。
　　图丨微波等离子体反应器原位光谱测量系统的示意图（来源：Environmental Science & Technology）
　　此外，产生等离子体过程中会有震动的现象，如果碳材料容易被震碎或者在高温条件下机械性能不好，则会导致处理过程效果不佳而影响其使用寿命。
　　综合来看，碳泡沫具有良好的表观电导率，并且孔隙率较好，能充分吸收微波。在多种材料实验和比较后，研究团队选择了碳泡沫作为诱导等离子体的材料。
　　等离子体微波法：一种能将白色污染 ＂吃干榨净＂ 的方法
　　由于塑料用量和随新冠疫情爆发的医疗废物激增，白色污染对人类的可持续发展和生态系统构成了严峻挑战。
　　图丨微波辐射过程中碳泡沫产生的等离子体点火和热量的示意图（来源：Environmental Science & Technology）
　　当前回收白色废物的方法，有化学回收、物理回收和焚化，需要预分选和洗涤或释放二氧化碳。乔金樑表示，近几年，物理回收的局限性已经显现，大概只能处理 10% 废塑料，且需要预分选，成本高。
　　而化学循环则需要催化剂，因催化剂的寿命限制，使得化学循环的发展受限。＂催化剂对于原料要求较高，在前期对于原料的预处理的条件要求会比较苛刻，并且在处理过程中对环境的条件要求也非常高。如果处理不好，催化剂就容易失活。所以，化学循环处理方法的成本较高。＂ 蒋海斌告诉 DeepTech。
　　无法回收的废塑料通常用掩埋和焚化的方法进行处理，不可降解的塑料在自然循环降解一般需要 500 年以上。这种方法无论对人类、动物还是海洋生物都会有长期的危害。
　　而等离子体微波法在塑料掩埋的处理上也能发挥积极作用。 经过等离子体微波法处理塑料，转化后的气体产物有氢气、一氧化碳、甲烷、乙烯、丁烯等，其中以氢气及一氧化碳为主，占气体总体积 50% 以上。
　　李巨表示，通常在焚烧过程中会产生大量二氧化碳，而该技术可以将塑料转化成有用化工原料气体，主要是氢气和一氧化碳，另外处理剩余的固体可以填埋挖空的矿井做成人造煤，这也顺应了目前提倡的碳减排、碳中和的方向，营造 ＂无废时代＂。
　　＂我们现在目前成功实验了口罩及工业上的废弃物，其实农场上也有很多废弃物需要回收。比如含氮的鸡毛、含氮的生物质等。将来，可以利用等离子体微波法把这些成分转化为化工原料，从而实现废固再利用。＂ 乔金樑说。
　　与传统的化学、物理处理方法对比，等离子体微波法的优势如下：
　　第一，处理白色污染不需进行预分选或洗涤，有利于低成本大规模应用。
　　＂分类会增加回收成本，大规模工业化的可能性就比较难。而等离子体微波法最大好处是不需要分类，无论什么成分的废料经过该方法都会被气化，这是该技术将来能够工业化的最大的优势。＂ 乔金樑说。
　　第二，适用范围广，能用于所有的材料。 乔金樑表示，不仅适用于塑料、橡胶、纤维等合成材料，对于所有的有机废物（包括气体、液体）都是适用的。
　　徐桂银表示，这次新冠疫情爆发，面临很多废旧口罩处理的问题。＂新冠病毒附着在口罩上，如果人们直接接触这些废弃口罩，就会有被感染的可能，用一些常规的技术处理也可能会有污染，而 等离子体高温处理不仅解决了污染的问题，同时还能将细菌转换成燃料。 ＂
　　图丨电池隔膜废物在碳泡沫上（a）处理之前和之后（b，c）上的图（来源：Environmental Science & Technology）
　　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。＂ 乔金樑说。
　　第四，可分离有机物和无机物。 李巨认为，该方法是将塑料转化成小分子气体，裂解的碳沉积在原来的泡沫上。这样，分离了有用成分和污染物，将污染物固化。
　　乔金樑告诉 DeepTech，目前很难解决一些材料的回收，例如风能发电、碳纤维的复合材料、线路板等，而等离子体微波法可以真正地形成绿色循环。
　　未来应用：距离实现工业化还有多远？
　　乔金樑表示，这项技术最终的想法就是要做 ＂全循环＂，将矿物质转化成人们要用的东西，实现大量回收。而不能回收的部分，可以通过微波法把它回收变成有用的气体和没有危害、甚至有用的成分。
　　比如碳材料可以转化为炭黑，用于橡胶制品或者塑料制品，实在没用的再做掩埋处理。所以， 这是一种将白色污染全部 ＂吃干榨净＂ 的方法。
　　图丨李巨教授、乔金樑教授（来源：受访者）
　　等离子体微波技术是多学科交叉、多单位合作下共同推动完成。
　　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 Lansing Hardy＂ 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，2017 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。
　　朱美芳是中国科学院院士、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。
　　乔金樑是中国石化集团公司首席专家，曾任北京化工研究院副院长等职，从事基于基础研究的技术创新工作近 40 年，取得多项原创成果。他已获国内外授权发明专利 380 多件，发表 SCI 论文 120 余篇。
　　徐桂银在 MIT 从事博士后研究工作，研究方向为功能纤维与隔膜材料在能源储存与环境修复中应用。
　　图丨朱美芳院士（左）与徐桂银博士（右）（来源：受访者）
　　乔金樑表示，该技术对环境的资源回收利用提供了新的思考。例如，液体和气体的废弃物都可以通过等离子体微波法进行转换。
　　朱美芳认为， 等离子体微波法是 ＂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，都是非常有工业化应用前景的新方法。
　　＂我认为，对塑料制品（包括化学纤维制品）的大规模的低碳回收利用是非常重要的方向，应该去寻找更合适、更科学的合作来更好地发展。技术如果走向工业化可能将面临很多新的挑战，但是未来可期。希望在市场驱动和社会需求下，加强各方面合作，真正地把先进的科学技术造福人类。＂ 朱美芳说。
　　期望做 ＂取之不尽用之不竭＂ 的全循环
　　在处理秸秆过程中，如果焚烧它会造成很大的环境污染，如果埋它的话，地质也要受到破坏。乔金樑认为，下一步应该扩展对秸秆的处理技术。
　　＂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。＂ 乔金樑说。
　　朱美芳认为， 在特殊环境、极端环境下材料的研究是未来研究重点。 ＂微波引起局部温度的快速提高，在航空航天领域等都会有广阔的应用前景。如果温度达到 3000K 下长时间工作，实际上没有任何材料能承受那么长的时间，但是在很短的时间达到某个极高的温度再引起反应，正是这个技术的关键所在。＂
　　李巨认为，等离子体微波法是很有必要深入研究的课题，因其悬浮的尖端放电，所以下一步应聚焦粉尘的问题，即如何减少或完全消除粉尘在气体的漂浮。
　　＂应思考如何能用最少的电能降解最多的有机物，在利用电能的有效性上，我认为还有很大的优化空间。 如果这项技术真正走向大规模工业化，怎么能够既有流动性，又能将气体、固体有效地分离将会是研究的重点。 ＂