这些挑战有助于解释为什么只有9%的废弃塑料被回收。大约79%被送往垃圾填埋场，另有12%被焚烧，这种做法会将二氧化碳释放到大气中。
将混合塑料废弃物转化为氢气
研究人员现已展示了一种化学工艺，能将三种广泛使用的塑料混合物直接转化为高纯度氢燃料。该团队由加州大学洛杉矶分校萨穆埃利工程学院和韩国梨花女子大学的科学家共同领导，在远低于传统气化所需的温度下完成了这一工作。
该方法还防止碳以二氧化碳的形式逃逸到大气中。相反，大部分碳被捕获并以固体矿物形式储存。
发表在《美国国家科学院院刊》上的这些发现，重点介绍了一种被称为碱性热处理（ATT）的方法。在该过程中，氢氧化钠在加热条件下与有机材料反应，引发产生氢气的化学反应。
研究人员表明，碱性热处理（ATT）可以在单个反应器内同时处理混合的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）废弃物。产生的氢气纯度超过90%，且塑料无需事先分离。
“我们正在同时解决两个紧迫的全球性问题，”共同通讯作者、加州大学洛杉矶分校萨穆埃利工程学院罗纳德和瓦莱丽·舒格院长及化学与生物分子工程教授Ah-Hyung "Alissa" Park说，“塑料废弃物正以惊人的速度堆积，而清洁氢气对于能源脱碳至关重要。这项技术以一种创造性和可扩展的方式应对了这两个挑战。”
最初为生物质设计的工艺
Park和该研究的共同通讯作者、梨花女子大学化学工程与材料科学教授Woo-Jae Kim最初开发该工艺是作为一种从海藻等生物质中生产氢气的碳中性方法。
在这项新研究中，研究人员调整了该方法，使其能够处理塑料废弃物。实验室测试表明，改进后的工艺成功将PET、PE和PP转化为高纯度氢气。
该处理工艺在处理PET时产生了显著更多的氢气，且运行温度比传统蒸汽气化使用的温度低300-400摄氏度。气化通常依赖高温将材料分解并转化为气体，使其能耗极高。
提高抗性塑料的反应活性
PET对碱性处理反应良好，但聚乙烯和聚丙烯最初产生的氢气较少。这两种塑料完全由碳氢键组成，在碱性条件下具有化学抗性。
为了克服这一障碍，研究人员创建了一种热氧化预处理方法。在进入主反应之前，塑料在相对温和的温度下在空气中短暂加热。
这一初步步骤向构成塑料的长聚合物链中添加了含氧官能团。这些基团产生了化学反应活性位点，使碱性处理能够分解那些原本在很大程度上保持惰性的材料。
经过这一活化步骤后，所有三种塑料都高效分解。
将塑料碳捕获在固体矿物中
在反应过程中，氢氧化钠捕获从塑料中释放的碳，并将其转化为固态碳酸钠。这防止了碳以大气二氧化碳的形式离开反应器。
反应后进行的分析发现，塑料中原本存在的碳有超过75%最终进入了稳定的碳酸盐化合物或液态有机残留物中。不到13%进入气相，反应期间直接释放到大气中的量可以忽略不计。
碳酸钠也可以通过简单的回收过程转化为碳酸钙。这种转化将碳永久储存在一种稳定的矿物中，这种矿物通常用于传统上产生大量碳排放的行业。
解决塑料回收的主要局限
其他从塑料废弃物制取氢气的低温方法具有重要局限性。例如，太阳能驱动的光重整和电化学转化通常只适用于含氧塑料，如PET。
这就将聚乙烯和聚丙烯排除在该过程之外，尽管它们是全球废物流中最丰富的塑料之一。
高温气化可以在不分类的情况下处理混合塑料，但会释放大量二氧化碳。据研究人员称，这代表了他们的碱性热处理方法首次被用于同时克服这三个问题。
该工艺可以处理混合塑料，在相对较低的温度下运行，并捕获大部分碳，而不是将其释放到大气中。
Kim说：“通过降低分拣成本和工艺复杂性——这些一直是商业化的主要障碍——这项技术有潜力成为支持氢经济和循环经济的下一代核心技术。”
商业应用前需更多测试
尽管实验室结果令人鼓舞，但该技术尚未准备好大规模部署。研究人员表示，需要进一步的研究来改进工艺，并确定其能否在商业规模上经济地生产氢气。
该研究由韩国国家研究基金会资助。其他作者包括梨花女子大学的Jieun Park、Hyerin Seo和Jiwon Lee；韩国航空航天大学的Hyunah Kim；江原大学的Hyung-Kyu Lim；以及西江大学的Wonho Jung。