塑料材料—秩序與混亂

■文 / 黃麗錦 壯歌德(澳)

圖為聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）的分子模型，PET是塑料瓶的常見成分，化學(xué)雙鍵增強其分子穩(wěn)定性，但也加大了回收難度。

20世紀初，化學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了塑料。在工業(yè)革命之前，化學(xué)家的研究只涉及簡單元素和簡單化合物，例如鐵元素和水分子。當時，任何復(fù)雜的物質(zhì)似乎都來自生物器官，合成復(fù)雜物質(zhì)的過程被稱為“有機化學(xué)”。但是，人們對原子結(jié)構(gòu)以及原子之間如何結(jié)合取得突破性的理解，提供了進一步理解分子結(jié)構(gòu)的可能。除了棉、羊毛、皮革、牛角等生活材料外，人們逐漸認識到可以用無生命的化學(xué)物質(zhì)制造其他有用的材料。

第二次世界大戰(zhàn)后，西方世界經(jīng)歷了塑料的黃金時代。人們可以制造出在當時看起來“奇形怪狀”的家用物品，比如電話和刀柄。在理論和實踐的結(jié)合下，化學(xué)作為一門科學(xué)，開啟前所未有的領(lǐng)域，開發(fā)出專業(yè)的、功能精細的塑料產(chǎn)品，例如螺旋槳、玩具、衣物和電線絕緣層。

塑料為人們的生活帶來了便利。塑料雨衣可以防雨，塑料涼鞋可以保護億萬貧困人口的腳。請想一下塑料在您生活中的用途。塑料容器內(nèi)部的東西不會漏出來。常見的例子很多，比如救生衣里的空氣、氣球里的氦氣。塑料袋還可以盛裝液體，盛放鹽、糖、蘋果等固體。塑料防止容器外的東西進入，例如，防止空氣氧化蘋果，防止水分破壞食鹽，防止細菌破壞食物。這都說明，塑料是一個很好的屏障，可用于分隔物品，維持秩序。

塑料之所以具備這個優(yōu)點，是因為原子按照一個方向緊密而牢固地結(jié)合成長鏈。使用毛皮制作衣物或使用動物原料制造工具時，人們就已經(jīng)從自然界的宏觀尺度觀察到這一特點。直到1930年左右，化學(xué)家才破解了碳原子核外6個電子的結(jié)構(gòu)密碼，這一六角形結(jié)構(gòu)可以構(gòu)建二維平面和線性纖維。由此開始，化學(xué)界開始進行大量實驗和分子設(shè)計活動。

2018年全球塑料產(chǎn)量為3.59億噸，其中，中國占據(jù)四分之一。過去20年生產(chǎn)的塑料垃圾中，有三分之一是一次性的瓶子、袋子和包裝袋。因此，一個巨大的諷刺和困境產(chǎn)生：塑料給我們的生活帶來了整潔——鮮明的色彩、清潔的衛(wèi)生、堅固而輕巧的物體容器。然而，塑料也帶來巨大的麻煩——很多塑料垃圾導(dǎo)致河流和海洋污染，大量的垃圾填埋場和溫室氣體帶來危害。正如喬治·羅根（Georgescu-Roegen）在其著作 《熵的定律和經(jīng)濟過程》中所暗示的，應(yīng)用塑料的道路，是從有序到無序的。

科學(xué)家們花了數(shù)十年的時間才將碳、氫和氧原子的排列設(shè)計成各種樣式，從而賦予了各種塑料獨特的功能。他們可能還需要數(shù)十年的時間進行逆向工程，并弄清楚如何將原子分解為更簡單的粒子，以便回收或無害處理。當前用于管理垃圾廢物的一系列方法，都無法真正保護我們的家園。

從全球范圍來看，大部分一次性塑料都被輕率地處理了。這些物品無處不在，而且看起來無關(guān)緊要，無需費力即可丟棄。當引起宏觀后果時，某些政府可能反應(yīng)過度。在一個極端例子中，一個貧窮國家的士兵拿著沖鋒槍威脅沒有嚴格遵守塑料袋禁令的市場銷售商。即使是對一次性塑料的溫和反對，也可能招致意外的批評。

在許多發(fā)達國家，超市購物袋的收費可能會引起意外的后果。悉尼大學(xué)的研究人員追蹤了在塑料袋禁令頒布之前和之后城市塑料垃圾袋購買的零售數(shù)據(jù)。他們發(fā)現(xiàn)，雖然塑料購物袋的用量減少了2000萬公斤，但是垃圾袋的購買量增加了600萬公斤——其中小型、中型和大型垃圾袋的銷售額分別增長120%，64%和6%。在實施禁令之前，有12%-22%的塑料袋被當作垃圾袋重復(fù)使用，但禁令頒布后，消費者轉(zhuǎn)向使用較小但較重的塑料袋。很大一部分消費者確實有重復(fù)使用購物袋的習(xí)慣，研究人員也指出可重復(fù)使用的購物袋對人體健康的危害。

消費者行為方面的研究者已獲得有用的信息，以幫助制定控制塑料袋需求的政策。首先，對零售商而言，所有商店都必須為購物袋收取10至20美分的費用。其次，任何變化都需要一個過程，提前給顧客通知可以幫助他們改變習(xí)慣。第三，銷售塑料袋的錢可用于慈善事業(yè)或某些特殊產(chǎn)品的打折等。

塑料垃圾的兩個常規(guī)處置方法已經(jīng)走到盡頭。世界上大部分城市的垃圾填埋場已被填滿，中國城市也感受到了這種束縛。同樣，焚燒也不是一種理想途徑。露天燃燒塑料會產(chǎn)生有毒煙霧，而專門化熔爐的購買和操作又需要很高的成本。況且，此類處理，仍然會使塑料中的碳原子與兩個氧原子結(jié)合，最終排出二氧化碳。

除了教育公民養(yǎng)成負責(zé)任地使用或減少使用塑料袋的習(xí)慣外，未來的最大希望是將計算化學(xué)與實驗結(jié)合起來，探索如何解開復(fù)雜的C-H-O模式中的化學(xué)鍵。也許在未來，相應(yīng)模式將被發(fā)現(xiàn)并大量商業(yè)化。目前，只有不到10%的塑料可以回收利用。

2019年11月15日，北京大學(xué)舉辦生態(tài)經(jīng)濟學(xué)與生態(tài)文明國際會議。在此次會議的跨學(xué)科科學(xué)論壇上，來自長春的科學(xué)家報告了量子化學(xué)的應(yīng)用：這些應(yīng)用可能為降解目前大多數(shù)塑料化合物提供有效的方法。