这个诞生不过百年的材料,却让发明者自杀“谢罪”
2020-08-26 10:08

这个诞生不过百年的材料,却让发明者自杀“谢罪”

“中国每年会产生约4000万吨的塑料废弃物,只有30%多一点的废弃物会被重新利用,约10%被烧掉了,剩下的这50%重达好几千万吨,一年一年地积累在环境中。如何解决塑料垃圾污染是目前面临的重大全球环境问题之一。”本文来自微信公众号:格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:季军晖(中国科学院理化技术研究所 研究员),题图来自:视觉中国



季君晖 中国科学院理化技术研究所 研究员


大家好,今天我想跟大家交流一下,咱们日常生活中最常见的一种东西——塑料。


塑料是我们在生活中、甚至地球上每个角落里,都可以见到的材料。虽然塑料数量那么多,但是在材料学科里,塑料一直是个“小弟弟”。


塑料的优点


塑料的历史并不长。


如果从1862年奥地利科学家帕克斯开始做硝化棉高尔夫球开始算的话,到现在也只不过100多年。


真正人工合成的塑料实际上是1907年凯悦做的酚醛树脂,也叫电木。上了年纪的人可能对黑色的电木还是很有感情的。不过现在电气发达了,这种电木见的不是特别多了。


从此以后,塑料进入了高速发展的快车道。


1953年、1963年、1974年,基本上每隔十年,塑料科学相关的科学家就会拿到诺贝尔奖。



在这些科学大家的努力和奉献下,塑料的潜力得到了极大的挖掘,它的优点全体现出来了,而且价格也降下来了。


塑料从一个实验室里的高冷物品、高冷科学,走向了千家万户,走向了我们每个人生活的每个角落。


既然说了塑料那么好,先看看塑料到底有什么好处。


塑料,它的第一个优点是可塑。它很容易做成各种各样的东西,方的、圆的、扁的、异形的、薄膜丝等等都可以。


第二个优点,塑料很软。塑料袋一扯就断,反过来塑料可以做得比金属、不锈钢、钢材更硬,上天入地都能用到塑料,可以做成白的、透明的,也可以做成黑的、红的、绿的,色彩艳丽,品种多;


第三个优点,塑料可以装酸、可以装碱。塑料不怕酸、不怕碱、不怕太阳晒、不怕雨淋,放着十年都不坏,放一百年也不坏,性能非常的稳定。在各种环境下都有非常好的表现,而是是最好的。


这么好的东西,价格还很便宜,比铁便宜、甚至比木材便宜;而且质量还轻,非常容易拿;另外,塑料本身是没毒的,完全可以装个饼干,装个面包也行,装什么都行。


所以,由于塑料具有多种好处,这就导致塑料进入了千家万户,进入了国家建设,甚至做到了上天入地,也走进了人们生活的方方面面、角角落落。


现在这个时代,如果真的离开了塑料,可能马上就会过上茹毛饮血、刀耕火种的绿色原始生活。


塑料品种太多了,只好给大家一个虚的印象。但是我们可能不知道,到底我们的身上用了多少塑料,到底我们的家里用了多少塑料。


大家可能都知道,学校的塑胶跑道是塑料做的,也有人明白身上的衣服是塑料做的。


但是,很多人可能没想到,时尚女孩的蕾丝、化妆品、甚至假发也是塑料做的。



从这个角度来说,大家可能也就理解了,塑料确实已经进入了人们生活的方方面面、世界的角角落落。


自杀的塑料发明者


很遗憾的是,最近这几十年的时间,总是会听到大家对塑料不太好的说法。有人说要禁塑,有人对塑料说NO,有人说不用塑料。


跟大家说一个很真实的故事。2012年,我去参加台州塑料国际博览会,在会议期间我去拜访了塑料王国黄岩市政府,那时候叫区政府。


在区政府门口,我看到一个大标幅上写着“绿色生活从远离塑料开始”。



大家可以想象一下,作为一个靠塑料生存的研究人员,看到这个标语是什么样的感觉。


实际上,塑料问题不是现在才被熟知。


1902年,塑料袋之父舒施尼在发明塑料袋后,塑料产品很快就被社会的资本追捧,开始进入社会。


塑料袋之父:马克斯·舒施尼


看到这种情况之后,舒施尼就意识到塑料袋可能会带来一些问题。果不其然,在2005年,英国《卫报》把塑料袋评为人类最糟糕的发明。


在此之前,塑料袋的发明者舒施尼先生认为自己发明的塑料袋对环境带来了负面影响,自杀了,成为塑料产业、塑料行业、塑料科学中第一个科学殉道者。


超乎想象的海洋塑料岛


塑料袋有多少?就我们中国,每年400万吨。


400万吨什么概念?平均每天30亿个塑料袋。


30亿个又有多少?30亿个塑料袋连起来,咱们可以从地球到月亮三次,而且我还少说了一点,还留了个打结的长度。


所以,生产的塑料量确实是非常巨大的。大量的塑料确确实实进入了人们的生活,进入了地球的角角落落。


而且,塑料最大的好处就是稳定,废弃了之后扔到环境里,它很稳定,百年不烂。


丢弃的塑料,甚至能做到四百年不腐烂,只能在地球的各个角落里堆积着。这极大影响了咱们的环境。


影响环境还不是最大的问题,丢弃的塑料还会影响土壤、影响生态、甚至影响人类的可持续发展。


每年中国大概会产生4000万吨的塑料废弃物,大概只有30%多一点的废弃物会被重新利用,剩下60%多都变成了废弃物。


然后,废弃的60%多里,大概有10%被大家烧掉了。暂且不说它的污染,比如焚烧带来的二噁英问题,就只说剩下的这50%,也是好几千万吨,一年一年地积累在环境中。


塑料污染


除了平时大家看到的塑料污染问题,还有一些看不到的隐患。除了在土壤里、在环境中,甚至在你家的角落里,都有很大一部分塑料流向了海里。



后面这个数比较准确,这是《科学》杂志上的一个数据。第一个数是不太准确的。


大概每年有800到1000万吨塑料流向了海洋。大家想一想,一年一年地积累到底有多少,可以说一个大概的数。


咱们的海洋已经承载了数亿吨的塑料废弃物。


不说整个海洋,先从一条河开始讲。


颜色标深的是印尼爪哇岛的芝塔伦河,只有272公里。这条河周边大概住着3000万的印尼人民,他们每天把约2000万吨的废弃塑料扔到这条河里,这些废弃塑料就从这条河流向了南海。



想一想,这条河只有200多公里长,那咱们5000多公里的河怎么办?



图中的绿色就是塑料污染的地方。绿色越浓,说明塑料污染越严重。


可以很清晰地看到,我们的长江、海岸线、海岛、航道,这些地方的污染,恰恰是人类把塑料扔进海洋,或者通过河流涌向海洋的主要的途径。



这只是海岸周边的塑料污染情况,海洋里呢?倒入海洋的塑料实际上对海洋的环境、环流、生态,尤其是对海洋的生物造成了非常巨大的影响。



大家看到这几个图片可能会深有感受。


实际上,有一个图片我没敢放出来。2015年的时候,有一只海龟的鼻孔里插入了一个13厘米的吸管,做手术拔出来的时候,海龟流血、流泪。大家感兴趣可以在网上搜一下这个录像。


英国国家科学办公室测出了塑料在海里发展速度的数据,这个数据很惊人。如果正常发展,可能一年就能在海里投入好几亿吨。如果我们人类干预的话,可以少一点儿。


海里有很多的塑料,马里亚纳海沟一万多米的深度照样找得到塑料。



飘浮在海里的塑料汇集在一起有多大呢?我问过很多人,他们说大概有好几间房子大、甚至有好几平方公里大。


我现在想告诉大家,在地球的西经130度到160度、北纬25度到40度,最大一块绿色的面积有160万平方公里,这是全球最大的一个塑料岛。


这个塑料岛的面积,相当于52个海南岛,与新疆差不多大,也相当于6个法国那么大。除此之外,它隔壁还有一个三四个法国那么大的塑料岛。



而这种岛在大洋里有很多。因为塑料会在洋流的中间静止区汇集,从而形成这样的塑料岛。


所以,塑料污染是非常严重的。


在这个最大的塑料岛,美国海洋塑料基金会一直号称要申请联合国的第196个国家,美国的环保领袖、前副总统戈尔,号称是垃圾群岛共和国的总统。网上还有人很戏谑地发了货币,它的货币就是100个塑料碎片、50个塑料碎片。



如果人类再这样使用塑料发展下去的话,大概会在2050年前后,海里飘浮的塑料重量,将超过海洋里鱼的重量。


把塑料问题说得那么严重,看起来好像跟大家的关系不是十分的密切。


吃进身体的微塑料


讲一个跟大家关系十分密切的微塑料问题。


所谓的微塑料,咱们定义是小于5毫米,实际上一般都小于1毫米,甚至0.1毫米。


因为微塑料小到如此程度,它就跟水一样在整个海洋弥散性的分布,有水的地方就有微塑料。


那它会怎么样呢?它会被鱼、海贝吃了,当鱼、贝变成你的食物的时候,塑料就会被你吃了。


或许你会说:我不吃海鲜行不行?那你总不能不吃盐吧!


下图中,柱子的高度表示当地盐里含微塑料的多少。准确地说,中国周边的盐,指的是超市的盐,而不是海里刚晒出的盐,基本上一克里面有一颗微塑料。



柱越长,食用盐中微塑料浓度越高。


欧洲那么环保,实际上也未能幸免。


说到这可能有人会提出来,你们搞塑料的把它回收利用不就结了?


我们也想,实际上,我们也尽最大的努力把废弃塑料回收利用,目前30%左右的废弃塑料开始进入回用的程序。


但是,毕竟有很多塑料是无法回收再利用的,像一些塑料泡沫,家家户户都有、全球的角落都有,收得回来吗?


像农药瓶、医药瓶、餐盒、烟头等等,用的过程中都已经被污染了,就没法回收了;


铝塑膜、牛奶袋等,用的时候就跟别的东西混在一起了,收回来就已经不是纯塑料了;


又比如,地里的地膜碎片,也是没法回收的。



所以,总是有永远无法回收的产品,这部分塑料估计占15%到20%。


我记得有一期《世界地理》,主题是“planet还是plastic?”,也就是“地球还是塑料球?”


降解塑料


那怎么办?实际上,搞塑料的研究人员也想解决这个问题。降解塑料就是我们想出来的一个替代方案。


早在上世纪六十年代,美国科学家就已经比较关注白色污染的问题了,他们就想用淀粉作为塑料原料,因为大家都知道,米饭放一段时间之后就烂了,马上就降解掉了。



如果用淀粉做成塑料的话,肯定会自然地烂掉,会被环境消纳掉,所以就做了淀粉塑料。但是,后来发现淀粉塑料在应用方面,确实有比较大的缺陷。


科学家是有办法的,把淀粉和咱们平常用的塑料混在一起,做成既有塑料的好处、又有淀粉降解性的可降解塑料。通过填埋实验,发现这种塑料确确实实开始降解了。


当人们正为解决这个问题而欢喜鼓舞的时候,几年过去又发现了新的问题。夹在里面的淀粉降解了,但是夹在里面的塑料还是塑料,一丁点儿也没少。


原来的大片塑料问题还能解决,变成小碎片之后,更没有办法能处理这些塑料了。


经过这两次不太成功的探索之后,大家意识到,要解决白色污染、塑料废弃物问题,一定要用全降解塑料,而全降解塑料最可靠的就是全生物降解。


所谓塑料降解,实际上就是把塑料的长碳链变成一个个碳链和碳分子。这些碳以分子形式存在,在有氧环境中会变成二氧化碳,无氧环境中会变成了甲烷,然后再进入自然界的碳循环。


我们做过一个实验,把降解塑料做的杯子和瓶子埋在土里,三个月后确实找不着了,完全变成二氧化碳,回归到了自然的循环中。



实际上,这个方案不完全是我们做的工作,这是全球很多塑料科学家在做的项目。目前全球基本已经接受了这样的替代方案。


2020年1月16号,国家发改委和国家环保部联合下发的《关于进一步加强塑料污染治理的意见》里就明确提出,外卖、快递、商超等使用的很多塑料用品,要用降解塑料来替代。


国外,特别是欧洲,也做了很多很多的方案。它们从税收政策等方面开始禁止一次性塑料用品,希望用降解塑料来替代。



当然,他们不只是关注土壤里的废弃物,也很关注海洋中的废弃物。


大家会说,海洋的废弃塑料是不是跟陆地一样,如果降解塑料解决了陆地上的塑料问题,那放到海洋里用不就结了。


因为现在每年都在往海洋中排放塑料,要想解决这个问题,首先就是不再向海洋排放塑料。


而不再向海洋排放塑料的话,人类又不可能马上停止使用塑料,回到茹毛饮血的时代。那就想办法让降解塑料在海洋中也能发挥作用,切断海洋塑料污染的增量问题,为人类解决海洋塑料问题、为地球自己消纳现存的塑料提供时间。


生物降解塑料能不能在海洋里使用呢?大家开始都认为是可以使用的,我们自己也是这么认为的。


但是,研究表明这只是你想得美,实际上根本不可能。


50周的实验做下来,我们发现基本上很多品种的降解塑料在海里还是一点儿都不变。


看样子,用生物降解塑料直接替代海水降解、直接在海洋里使用的梦想破碎了。



我们就去研究为什么会这样,发现生物降解塑料之所以能降解的最根本原因,是“生物”两个字,就是靠环境中的微生物来降解。


有海边生活经验的人都知道,海水能消毒,导致海水里微生物的量非常少,所以生物降解塑料赖以生存的条件就不存在了。因此,在海洋中通过微生物降解解决塑料问题,这条路目前走不通。



既然生物降解塑料在海水中不能降解,我们又想把这个问题解决掉,只能重新开发海水降解塑料。


2017年,在国家有关部门的支持下,我们从分子结构、机理开始设计,做全新的海水降解塑料,把生物降解变成盐醋降解。


海里别的都缺,就不缺盐;通过盐醋反应,把塑料先变成一个一个小“片断”,这些小“片断”就可以在海里慢慢地被消纳,被海里少量的微生物、阳光、溶解氧给氧化掉,最后变成二氧化碳,重新回到自然的碳循环中。



这是我们的设计机理,做出一些样品后,通过一系列的实验验证,筛选出一些我们认为比较好的样品。


下图是样品在海水中的实际表现,我们得到了一个相对比较好的结论。将样品泡在海里,它确实慢慢地就小了、少了。


这是降解了吗?不一定。



我们得弄明白,这到底是不是降解了,很多人提出这或许是被水冲掉了一部分,变成微塑料了。


所以,针对这个问题,我们做了很多的工作。把塑料放到一个唯一碳源的海水里,初始时里面的水没有二氧化碳,然后将去除二氧化碳的空气导入到装置中,最后测试有没有二氧化碳生成。


最后证明有二氧化碳生成,唯一碳源只能是塑料。



另外,我们用标记的碳进行了实验,最后找到了标记的二氧化碳,这也证明了生成的二氧化碳是塑料降解生成的。


实际上,我们在南海、渤海都做过一些海上实验。


在南海做这个实验的时候,去年一场台风把我们的样品给吹跑了,到现在都找不着。我们的一些研究人员伤心了好几个月,这是他半年多的辛苦工作。



当然,这个项目还是取得了比较好的效果,也获得了比较好的承认。在前年(2018年)的军委、科技委和中国科学院举办的第一届未来技术挑战赛上拿到了优胜奖。


刚才说的是解决增量问题,那么存量怎么办?


现在很多科学家就在找能吃塑料的微生物,这些微生物也许能成为海洋塑料的清道夫。



上图中白色部分是聚苯乙烯,也就是塑料泡沫。在菜粉虫里发现有很多塑料,也就是说塑料变成了菜粉虫的有机体。



针对乙烯的实验,也得到了类似的结论。



最后,大家从海洋里也找到了一些可以吃掉海洋塑料的微生物,效果还是很好的。也许,这个路线是解决海洋塑料污染存量问题的一个可行的方案和办法。


但是,现在我们还可以做一件事情,就是教育我们的下一代认认真真地做好环境保护,尽量减塑。


我们在北京市中小学里开设了“降解塑料和我们的环境”这么一个课程,从小学、初中到高中,我们带了很多高中生在做环保方面的一些工作,在做降解塑料的一些工作。在市里也取得了比较好的效果。



我们把相关的降解塑料放在了中国科技馆—未来材料分馆里,欢迎大家有机会去看看降解塑料到底是不是降解了。


本文来自微信公众号:格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:季军晖(中国科学院理化技术研究所 研究员)

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