維吉尼亞理工大學的研究人員開發出一種新技術，可將塑膠回收利用，製成有價值的化學物質–表面活性劑，用於製造肥皂、清潔劑等。塑膠和肥皂在質地、外觀以及最重要的使用方式方面往往沒有什麼共同點。但在分子層面上，兩者之間卻有著驚人的關聯： 聚乙烯是當今世界上最常用的塑膠之一，其化學結構與用作肥皂化學前體的脂肪酸極為相似。這兩種材料都是由長長的碳鏈組成，但脂肪酸在碳鏈末端多了一個原子團。

長期以來，維吉尼亞理工大學理學院化學副教授劉國良一直認為，這種相似性意味著將聚乙烯轉化為脂肪酸是可能的，只需增加幾個步驟，就能生產出肥皂。目前的挑戰是如何將長聚乙烯鏈分解成許多短鏈，但又不能太短，以及如何有效率地完成這個過程。劉認為，一種新的升級再造方法很有潛力，它可以將低價值的塑膠廢棄物轉化為高價值的有用商品。

劉國梁在南哈恩廳的實驗室裡拿著一個普通水壺。圖片來源：維吉尼亞理工大學Steven Mackay 供圖。

在考慮這個問題一段時間後，劉國梁在一個冬天的夜晚在壁爐旁享受爐火時突然有了靈感。他看著從火堆中升起的煙霧，想到煙霧是由木材燃燒時產生的微小顆粒組成的。

雖然出於安全和環保的考慮，塑膠絕不能在壁爐中燃燒，但劉開始思考，如果聚乙烯可以在安全的實驗室環境中燃燒，會發生什麼情況。聚乙烯的不完全燃燒是否會像木材燃燒一樣產生”煙霧”？如果有人能捕捉到這些煙霧，它又是由什麼構成的呢？

“木柴的主要成分是纖維素等聚合物。木柴燃燒時會將這些聚合物分解成短鏈，然後在完全氧化成二氧化碳之前變成小的氣態分子，”化學系布萊克伍德生命科學青年教師獎學金獲得者劉說。”如果我們同樣分解合成聚乙烯分子，但在它們完全分解成小氣態分子之前停止這一過程，那麼我們就應該得到類似聚乙烯的短鏈分子。”

在劉博士實驗室的兩名化學博士生徐震（音譯）和埃里克-穆尼亞內扎（音譯）的幫助下，劉博士建造了一個類似烤箱的小型反應器，在這個反應器中，他們可以透過一種稱為溫度梯度熱解的過程加熱聚乙烯。在底部，烤箱處於足以破壞聚合物鏈的高溫，而在頂部，烤箱被冷卻到足夠低的溫度，以阻止任何進一步的損壞。熱解結束後，他們收集了殘留物–類似於清理煙囪裡的煙灰–發現劉的預感是正確的：殘留物由”短鏈聚乙烯”組成，更準確地說，是蠟。

在油浴中加熱裝有由廢棄聚乙烯和聚丙烯產生的蠟的燒瓶，蠟在氣流的作用下透過催化氧化生成脂肪酸。圖片來源：維吉尼亞理工大學Steven Mackay 供圖。

這是開發塑膠肥皂升級再循環方法的第一步。在增加了皂化等幾個步驟後，研究小組用塑膠製成了世界上第一塊肥皂。為了繼續推進這個過程，團隊尋求了計算建模、經濟分析等方面專家的幫助。

透過與維吉尼亞理工大學大分子創新研究所的聯繫，團隊認識了其中一些專家。他們一起記錄並完善了升級再循環過程，直到他們可以與科學界分享為止。這項工作最近發表在《科學》雜誌上。

“我們的研究展示了一條無需使用新型催化劑或複雜程序的塑料升級再循環新途徑。在這項工作中，我們展示了串聯策略在塑料回收方面的潛力，”論文第一作者徐說。”這將啟迪人們在未來開發出更具創意的升級再循環程式設計”。

雖然聚乙烯是啟發這個項目的塑料，但這種升級再造方法也可以用於另一種塑料，即聚丙烯。從產品包裝、食品容器到織物，這兩種材料構成了消費者每天接觸到的大部分塑膠。劉國樑的新升級再造方法的一個令人興奮的特點是，它可以同時用於這兩種塑料，這意味著無需將這兩種塑料分開。與目前使用的一些回收方法相比，這是一個重大優勢，因為後者需要對塑膠進行仔細分類，以避免污染。由於這兩種塑膠非常相似，因此分類過程相當困難。

(左起）Eric Munyaneza 和劉國梁在南哈恩廳的實驗室裡準備將塑膠材料升級再造為脂肪酸液體。Munyaneza也是《科學》雜誌研究報告的作者之一。圖片來源：維吉尼亞理工大學Steven Mackay 供圖。

升級再循環技術的另一個好處是它的要求非常簡單：塑膠和熱。雖然此製程的後期步驟需要一些額外成分將蠟分子轉化為脂肪酸和肥皂，但塑膠的初始轉化是一個直接的反應。因此，這種方法不僅成本效益高，而且對環境的影響也相對較小。

要讓升級再造大規模有效，最終產品必須有足夠的價值來彌補製程成本，使其在經濟上比其他回收方案更具吸引力。

雖然肥皂最初看起來並不像特別昂貴的商品，但按重量比較，肥皂的價值實際上是塑膠的兩倍或三倍。目前，肥皂和洗滌劑的平均價格約為每公噸3550 美元，而聚乙烯的價格約為每公噸1150 美元。此外，肥皂和相關產品的需求量與塑膠的需求量相當。

劉說，這項研究為透過將廢棄塑膠用於生產其他有用材料來減少廢物的新方法奠定了基礎。隨著時間的推移，他希望世界各地的回收設施都能開始採用這種技術。屆時，消費者將有機會購買革命性的永續肥皂產品，從而減少垃圾掩埋場中的塑膠垃圾。基於這個原因，將塑膠轉化為肥皂在經濟上是可行的，他同時也是奈米科學計畫的附屬教師，該計畫隸屬於理學院的綜合科學院以及維吉尼亞理工大學工程學院的材料科學與工程系。

“應該認識到，塑膠污染是一個全球性挑戰，而不是幾個主流國家的問題。與複雜的工藝和複雜的催化劑或試劑相比，簡單的工藝可能更容易為世界上許多其他國家所接受， “徐說。”我希望這能成為對抗塑膠污染戰爭的一個好開始。