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2021-04-17 16:44:48
中國科學(xué)探險(xiǎn) 2021年6期
據(jù)國外媒體報(bào)道，海洋學(xué)家查爾斯·摩爾稱，只有我們?nèi)祟惒拍苤圃斐龃笞匀粺o法消化的垃圾。據(jù)悉，1997年他在太平洋航?？睖y時(shí)發(fā)現(xiàn)了海洋垃圾帶，這些垃圾主要是塑料垃圾。
大多數(shù)人聯(lián)想到的海洋垃圾通常是進(jìn)入視線范圍的塑料制品廢棄物，這些材料無處不在，我們?nèi)祟惷磕晟a(chǎn)大約3億噸塑料，其中大約一半是一次性使用的，這意味著人們使用完塑料制品之后就會(huì)立即丟棄。通常大多數(shù)塑料垃圾被運(yùn)送到垃圾填埋場進(jìn)行處理，但其中一些垃圾被吹離，進(jìn)入河流，最終流入海洋。事實(shí)上，平均每年大約有800萬噸塑料污染物進(jìn)入海洋，纏繞著海洋生物，污染了珊瑚礁，最終被水、風(fēng)和陽光降解，分解成數(shù)以萬億計(jì)的微小塑料顆粒。
對(duì)于許多海洋物種來說，塑料顆?？雌饋矸浅Ｓ形?，頗像食物，它們會(huì)以海洋污染物為食，最終因缺乏營養(yǎng)而餓死，微塑料表面也會(huì)吸引海洋中的污染物，并最終將這些污染物輸送到動(dòng)物體內(nèi)，目前科學(xué)家仍在繼續(xù)探索海洋垃圾產(chǎn)生的生物影響。微塑料也有可能對(duì)人類造成傷害，因?yàn)槲覀兺ㄟ^吃海鮮甚至飲用水?dāng)z入它們。2019年，世界衛(wèi)生組織呼吁展開深入研究，分析微塑料污染對(duì)人體健康構(gòu)成的潛在影響。
支撐這一切的事實(shí)是：依據(jù)制造塑料所用的成分，塑料具有難以置信的彈性，而且可能永遠(yuǎn)不會(huì)真正地生物降解。近年來，科學(xué)家希望通過水中和土壤中的微生物，有效地將其還原為自然界中基本可重復(fù)使用的化合物?？紤]到自然環(huán)境中存在的塑料污染，將形成更為清晰的問題，例如大多數(shù)進(jìn)入海洋的一次性塑料垃圾可能會(huì)停留數(shù)百年無法降解，這將對(duì)海洋環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。
我們是如何制造這場持久性塑料危機(jī)的？答案就在我們制造塑料的過程中，但首先，最重要的是理解“塑料”并不只是我們想象中漂浮在海水中的購物袋，目前全球海洋底部沉淀著大量塑料垃圾碎片，甚至還污染了海底環(huán)境。
塑料是什么
英國赫爾大學(xué)化學(xué)家卡爾·萊德肖說：“‘塑料一詞通常涵蓋廣泛的非均勻材料，每種材料各有不同的應(yīng)用，并且具有不同的物理性質(zhì)，現(xiàn)今我們已知的塑料材料已有300多種。”據(jù)悉，萊德肖參與赫爾大學(xué)塑料合作實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目，研究改進(jìn)塑料工業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。
那么，如果塑料如此不同，它們有什么共同之處呢？它們是由聚合物組成，聚合物是由許多重復(fù)單元組成的分子，其結(jié)構(gòu)賦予了塑料許多性能，例如塑料通常具有柔韌性、延展性和強(qiáng)度，除此之外，塑料通常分為兩大類：生物基塑料和合成塑料，生物基塑料的聚合物來自玉米淀粉、植物油和細(xì)菌等來源，合成塑料即用原油和天然氣合成的聚合物。
盡管生物基聚合物聽起來十分友好，但它們并沒有良好的環(huán)境記錄，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)在環(huán)境中持續(xù)存在而無法生物降解，萊德肖解釋稱，并不是所有生物基塑料都是生物可降解聚合物，也不是所有的生物可降解塑料都是生物基，然而，石油和天然氣衍生的材料造成的環(huán)境危害十分嚴(yán)重，因?yàn)檫@類塑料在環(huán)境中存在的時(shí)間更長，同時(shí)也會(huì)造成其他的環(huán)境影響。
為了理解其中的原因，我們來觀察一個(gè)石油衍生塑料的實(shí)例：將牛奶瓶放入冰箱進(jìn)行冷藏，這個(gè)塑料瓶開始了它的生命歷程，事實(shí)上制造此類塑料的原材料并不簡單，它們?cè)醋缘厍蛏钐幍脑停途奂诘貧?nèi)部的高壓區(qū)域中，它們通過鉆探頭和泵裝置傳輸?shù)降厍虮砻?，再通過管道輸送到煉油廠。原油的稠密物質(zhì)是由碳?xì)浠衔锝M成，碳?xì)浠衔锸怯商己蜌湓咏M合，它們形成不同長度的鏈狀結(jié)構(gòu)，賦予其不同特性，這些碳?xì)浠衔锸堑厍蛏献钤绲乃芰显稀?/p>
在煉油廠，塑料制品生產(chǎn)真正開始了，像糖蜜一樣的原油在爐子上加熱，依據(jù)碳?xì)浠衔锼拥臄?shù)量以及由此產(chǎn)生的分子量，將它們分成不同的基團(tuán)，然后將它們送入附近的蒸餾管中。在蒸餾管中，通常分子結(jié)構(gòu)較長、較重的碳?xì)浠衔锍练e在底部，而分子結(jié)構(gòu)較短、較輕的碳重化合物上升至頂部，最終原油被分離成幾種不同的化學(xué)物質(zhì)，例如石油、汽油和石蠟，每一種都含有相似重量和分子長度的碳?xì)浠衔铮渲幸环N是石腦油，該化學(xué)物質(zhì)將成為制造塑料的主要原料。
石腦油就像塑料生產(chǎn)中的金粉，因?yàn)樗奶細(xì)浠衔镏杏幸彝楹捅@兩種化合物對(duì)地球上最常見、最普遍的塑料產(chǎn)品的形成至關(guān)重要，包括用于制造牛奶瓶的塑料，但是要想制造出真正可以用于制造塑料的物質(zhì)，乙烯和丙烯必須先將它們的烴類原料分解成更小的單元。
有不同的方法可以做到這一點(diǎn)，一種方法是在零氧環(huán)境中使用高溫高壓，該過程被稱為“蒸汽裂解”，它將碳?xì)浠衔锓纸獬筛痰姆肿咏Y(jié)構(gòu)，其被稱為單體。
專注于可持續(xù)聚合物材料的阿斯頓大學(xué)博士后研究員帕亞爾·巴赫蒂說：“像乙烷中的乙烯，都可以在熱裂解后直接從石腦油中提取，最終提煉出來的乙烯和丙烯是制造塑料物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要原料。”
下一步研究是通過一種叫做聚合反應(yīng)的過程展開的，在該過程中，那些單獨(dú)的單體成分以新方式進(jìn)行化學(xué)組合，產(chǎn)生較長的重復(fù)鏈，被稱為聚合物，在該情況下，乙烯和丙烯形成了聚乙烯和聚丙烯，這是地球上兩種最常見、生產(chǎn)最廣泛的聚合物。
那么，為什么這兩種聚合物如此受歡迎？聚乙烯的結(jié)構(gòu)可用于制造不同密度的塑料，這意味著它可以是脆弱而柔韌，或者是堅(jiān)固而堅(jiān)韌的物質(zhì)，因此它的用途非常廣泛。此外，聚丙烯的結(jié)構(gòu)也具有獨(dú)特的靈活性和彈性，因此，我們每天能看到許多類型的塑料產(chǎn)品，聚丙烯主要用于制造一次性塑料用品，例如牛奶瓶，日常生活所用的塑料包裝、吸管、水瓶、購物袋、洗發(fā)水瓶、瓶蓋等。
然而，這僅是幾十種合成塑料中的兩種，其他類型的碳?xì)浠衔锸菑牟煌膩碓粗蟹蛛x和分解出來的，不僅來自原油，也來自天然氣，它們也被用于制造塑料。在某些情況下，聚合物可能是由單個(gè)單體重復(fù)組成，就像我們看到的聚乙烯和聚丙烯一樣，或者它們可能包括幾種類型的單體組合。
更重要的是，每一個(gè)聚合物鏈都將以不同方式進(jìn)行加工處理，并與各種添加劑混合，其中包括抗氧化劑、發(fā)泡劑、增塑劑、阻燃劑等，使它們具備各種生態(tài)位功能，從而使塑料變得如此“萬能”。
巴赫蒂說：“不同的塑料具有不同的特性，以食品包裝為例，它應(yīng)該阻止過量的氧氣和陽光，從而避免被降解，所以它含有添加劑使其降解，我們可以說，正是這些添加劑賦予了聚合物特性，才導(dǎo)致塑料的形成。”
最終這些塑料產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)造了我們現(xiàn)今所擁有的塑料產(chǎn)品多樣性，它們?yōu)槭称飞a(chǎn)和儲(chǔ)存、化妝品、技術(shù)研發(fā)和醫(yī)藥保健作出了巨大貢獻(xiàn)。
“外來材料”
現(xiàn)在讓我們“快進(jìn)式”了解塑料產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，從石油和天然氣中合成的塑料，是通過分離碳?xì)浠衔?，分解成它們的組成部分，然后將這些部分重組在自然界中從未見過的全新形態(tài)。簡單地講，這是創(chuàng)造了一種“外來材料”，這是地球水和土壤中的微生物所不熟悉的，巴赫蒂解釋稱，合成塑料中的碳主鏈無法被土壤細(xì)菌識(shí)別，這意味著它們無法被消化，并將其轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳。
萊德肖說：“聚乙烯這類物質(zhì)在垃圾填埋場需要幾個(gè)世紀(jì)才能分解，這意味著我們一生中制造的許多事物仍然保持著接近原始的形態(tài)，持久性并不是唯一的問題。隨著塑料在陽光、水和風(fēng)的影響下逐漸分解，石油和天然氣衍生的塑料制品會(huì)釋放出溫室氣體，并將生產(chǎn)過程中添加的化學(xué)物質(zhì)重新返回環(huán)境中，我們需要特別關(guān)注一次性塑料污染的數(shù)量，加上其對(duì)環(huán)境長達(dá)數(shù)百年的持久性破壞，未來塑料制品造成的環(huán)境災(zāi)難可能更加嚴(yán)重?！?/p>
但也有辦法擺脫這些堆積如山的塑料垃圾，萊德肖認(rèn)為，生物可降解塑料是未來研究重點(diǎn)之一，這可能是一個(gè)潛在的解決方案。換句話說，制造可生物降解塑料并不一定意味著用玉米淀粉等生物原料生產(chǎn)塑料（盡管這可能提供一個(gè)解決方案），更具體地講，該過程需要用聚合物來制造塑料，這些聚合物可以被水中和土壤中的微生物合理有效地分解。
如果要徹底改變塑料對(duì)地球環(huán)境的影響，生物可降解聚合物需要取代油性聚乙烯和聚丙烯，但同時(shí)也要保持傳統(tǒng)聚合物的強(qiáng)度和柔韌性等性能，這正是它們?nèi)绱耸軞g迎的原因。但這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)聚合物在制造成本上仍然具有競爭力，這使得該任務(wù)更加棘手。
但近年來一些生物可降解的方案正在取得進(jìn)展，一種是聚乳酸，它可用于制造杯子、餐具和吸管等一次性物品，一旦它進(jìn)入人類生活環(huán)境，能更有效地生物降解，萊德肖認(rèn)為，隨著全球范圍內(nèi)對(duì)塑料制品的需求量持續(xù)增大，此類發(fā)明可能會(huì)逐漸增多。
在其他領(lǐng)域也有積極樂觀的跡象，2016年，研究人員發(fā)現(xiàn)一種能吃塑料的細(xì)菌，之后其他人員又發(fā)現(xiàn)能吃聚乙烯的蠕蟲，此外，他們還發(fā)現(xiàn)能夠分解塑料垃圾的酶物質(zhì)。
萊德肖說：“或許未來幾年里，我們將從這些細(xì)菌和蠕蟲獲得塑料分解和消化的能力，甚至能分解聚乙烯塑料袋，培育體型更大的蠕蟲，它們可以吞食我們的塑料垃圾。”
無論如何，在制造塑料的過程中，人類設(shè)法從自然中獲得原材料，并徹底改造它們，以至于自然無法消化它們，這是人類聰明才智導(dǎo)致的困境，現(xiàn)在我們希望通過研發(fā)新型技術(shù)改變這一切！
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我們是如何制造這場持久性塑料危機(jī)的？答案就在我們制造塑料的過程中，但首先，最重要的是理解“塑料”并不只是我們想象中漂浮在海水中的購物袋，目前全球海洋底部沉淀著大量塑料垃圾碎片，甚至還污染了海底環(huán)境。
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英國赫爾大學(xué)化學(xué)家卡爾·萊德肖說：“‘塑料一詞通常涵蓋廣泛的非均勻材料，每種材料各有不同的應(yīng)用，并且具有不同的物理性質(zhì)，現(xiàn)今我們已知的塑料材料已有300多種。”據(jù)悉，萊德肖參與赫爾大學(xué)塑料合作實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目，研究改進(jìn)塑料工業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。
那么，如果塑料如此不同，它們有什么共同之處呢？它們是由聚合物組成，聚合物是由許多重復(fù)單元組成的分子，其結(jié)構(gòu)賦予了塑料許多性能，例如塑料通常具有柔韌性、延展性和強(qiáng)度，除此之外，塑料通常分為兩大類：生物基塑料和合成塑料，生物基塑料的聚合物來自玉米淀粉、植物油和細(xì)菌等來源，合成塑料即用原油和天然氣合成的聚合物。
盡管生物基聚合物聽起來十分友好，但它們并沒有良好的環(huán)境記錄，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)在環(huán)境中持續(xù)存在而無法生物降解，萊德肖解釋稱，并不是所有生物基塑料都是生物可降解聚合物，也不是所有的生物可降解塑料都是生物基，然而，石油和天然氣衍生的材料造成的環(huán)境危害十分嚴(yán)重，因?yàn)檫@類塑料在環(huán)境中存在的時(shí)間更長，同時(shí)也會(huì)造成其他的環(huán)境影響。
為了理解其中的原因，我們來觀察一個(gè)石油衍生塑料的實(shí)例：將牛奶瓶放入冰箱進(jìn)行冷藏，這個(gè)塑料瓶開始了它的生命歷程，事實(shí)上制造此類塑料的原材料并不簡單，它們?cè)醋缘厍蛏钐幍脑停途奂诘貧?nèi)部的高壓區(qū)域中，它們通過鉆探頭和泵裝置傳輸?shù)降厍虮砻?，再通過管道輸送到煉油廠。原油的稠密物質(zhì)是由碳?xì)浠衔锝M成，碳?xì)浠衔锸怯商己蜌湓咏M合，它們形成不同長度的鏈狀結(jié)構(gòu)，賦予其不同特性，這些碳?xì)浠衔锸堑厍蛏献钤绲乃芰显稀?/p>
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石腦油就像塑料生產(chǎn)中的金粉，因?yàn)樗奶細(xì)浠衔镏杏幸彝楹捅@兩種化合物對(duì)地球上最常見、最普遍的塑料產(chǎn)品的形成至關(guān)重要，包括用于制造牛奶瓶的塑料，但是要想制造出真正可以用于制造塑料的物質(zhì)，乙烯和丙烯必須先將它們的烴類原料分解成更小的單元。
有不同的方法可以做到這一點(diǎn)，一種方法是在零氧環(huán)境中使用高溫高壓，該過程被稱為“蒸汽裂解”，它將碳?xì)浠衔锓纸獬筛痰姆肿咏Y(jié)構(gòu)，其被稱為單體。
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下一步研究是通過一種叫做聚合反應(yīng)的過程展開的，在該過程中，那些單獨(dú)的單體成分以新方式進(jìn)行化學(xué)組合，產(chǎn)生較長的重復(fù)鏈，被稱為聚合物，在該情況下，乙烯和丙烯形成了聚乙烯和聚丙烯，這是地球上兩種最常見、生產(chǎn)最廣泛的聚合物。
那么，為什么這兩種聚合物如此受歡迎？聚乙烯的結(jié)構(gòu)可用于制造不同密度的塑料，這意味著它可以是脆弱而柔韌，或者是堅(jiān)固而堅(jiān)韌的物質(zhì)，因此它的用途非常廣泛。此外，聚丙烯的結(jié)構(gòu)也具有獨(dú)特的靈活性和彈性，因此，我們每天能看到許多類型的塑料產(chǎn)品，聚丙烯主要用于制造一次性塑料用品，例如牛奶瓶，日常生活所用的塑料包裝、吸管、水瓶、購物袋、洗發(fā)水瓶、瓶蓋等。
然而，這僅是幾十種合成塑料中的兩種，其他類型的碳?xì)浠衔锸菑牟煌膩碓粗蟹蛛x和分解出來的，不僅來自原油，也來自天然氣，它們也被用于制造塑料。在某些情況下，聚合物可能是由單個(gè)單體重復(fù)組成，就像我們看到的聚乙烯和聚丙烯一樣，或者它們可能包括幾種類型的單體組合。
更重要的是，每一個(gè)聚合物鏈都將以不同方式進(jìn)行加工處理，并與各種添加劑混合，其中包括抗氧化劑、發(fā)泡劑、增塑劑、阻燃劑等，使它們具備各種生態(tài)位功能，從而使塑料變得如此“萬能”。
巴赫蒂說：“不同的塑料具有不同的特性，以食品包裝為例，它應(yīng)該阻止過量的氧氣和陽光，從而避免被降解，所以它含有添加劑使其降解，我們可以說，正是這些添加劑賦予了聚合物特性，才導(dǎo)致塑料的形成。”
最終這些塑料產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)造了我們現(xiàn)今所擁有的塑料產(chǎn)品多樣性，它們?yōu)槭称飞a(chǎn)和儲(chǔ)存、化妝品、技術(shù)研發(fā)和醫(yī)藥保健作出了巨大貢獻(xiàn)。
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萊德肖說：“聚乙烯這類物質(zhì)在垃圾填埋場需要幾個(gè)世紀(jì)才能分解，這意味著我們一生中制造的許多事物仍然保持著接近原始的形態(tài)，持久性并不是唯一的問題。隨著塑料在陽光、水和風(fēng)的影響下逐漸分解，石油和天然氣衍生的塑料制品會(huì)釋放出溫室氣體，并將生產(chǎn)過程中添加的化學(xué)物質(zhì)重新返回環(huán)境中，我們需要特別關(guān)注一次性塑料污染的數(shù)量，加上其對(duì)環(huán)境長達(dá)數(shù)百年的持久性破壞，未來塑料制品造成的環(huán)境災(zāi)難可能更加嚴(yán)重?！?/p>
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但近年來一些生物可降解的方案正在取得進(jìn)展，一種是聚乳酸，它可用于制造杯子、餐具和吸管等一次性物品，一旦它進(jìn)入人類生活環(huán)境，能更有效地生物降解，萊德肖認(rèn)為，隨著全球范圍內(nèi)對(duì)塑料制品的需求量持續(xù)增大，此類發(fā)明可能會(huì)逐漸增多。
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