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塑胶自问世以来改变了我们的生活,让生活变得更便利。时至今日放眼生活周遭,随处都是塑胶製品。但这样便利的背后带来大量的环境污染问题。自 1950 年,塑胶首次大量生产,那一年总共製造出 200 万吨塑胶。2017 年总量来到 83 亿吨,2050 年预估将达到 340 亿吨。

英国卫报的调查揭露,全世界每分钟购买 100 万个宝特瓶,2021 年将增加 20%。但美国学术机构领军的全球性塑胶生产总量分析研究发现,有半数塑胶在四年内就变成垃圾;研究也指出,2015 年共生产了 70 亿吨的塑胶垃圾,只有 9% 被回收,12% 被焚烧,剩馀的 79% 通通进入了掩埋场或环境中,污染全球的陆地、海洋,严重伤害环境和生态。但每年仍然有大量新的塑胶被产出。

那么废弃的塑胶要如何回收处理呢?是否有机会再利用?科学家一直在思考这个问题。首先先来理解一些关于塑胶的基本知识。

塑胶是怎么来的 ?

塑胶的原料是从石油当中提炼出来。石油如果利用分馏的方式,可以依沸点不同而分离加工得出煤油、苯、汽油、石蜡、沥青等产品。石油主要是由碳原子与氢原子所构成的化合物,仅由碳原子与氢原子所组成的碳氢化合物又统称为烃,而仅碳氢作简单直链状排列的称之为烷。

以汽油成分之一的「辛烷」为例说明,如图一所示,辛烷的主要骨架由 8 个碳原子排列而成,周围与氢原子形成键结,这样的简单排列称为「烷」类。因为有 8 个碳,分子以天干(甲、乙、丙、丁…….)命名,数字 8对应的字是「辛」,所以称为辛烷。

从石油到塑胶

由于石油裡面成分溷杂,若要生产塑胶,需要先将石油的分子切成较小的片段,再将它组装成较大分子的塑胶。在学术专业领域中,将分子切割成小片段的过程称为裂解(Pyrolysis),而重组后具有大分子量的化合物称为聚合物(Polymer)。

将从石油中得出的轻油在 800℃~900℃ 的无氧状态(有氧气就变成燃烧反应)加热,分子的链段会局部断裂,被裁切成好几段,以小分子的组成存在,这个过程称为裂解。再经过一连串的分馏程序,将不同的化学成分利用沸点的差异分离后,取得氢气、乙烯、丙烯、丁二烯、芳香烃等一系列石化基本原料。而主要产品是乙烯,是塑胶的重要原料。裂解的产物有多种成分,在此仅以最重要的成分来进行说明。

石油裂解后产生的乙烯分子(如图三所示),可以经由化学反应让彼此连结起来形成大的分子链(高分子聚合物),这样的反应称为聚合反应。

以乙烯为基本单元聚合而成的聚乙烯(如图四所示),由于加热为熔融状态,就可将之挤压成型,形成塑胶製品。所以我们使用的塑胶是经过石油裂解后再聚合所产生的。

废塑胶回收裂解炼油,怎么来的怎么去

读到这裡读者可能会想到,如果应用前面提到的热裂解方法来处理(如图二),是否就可以将已经聚合的高分子裂解成小分子烷类燃料?答桉是肯定的。

为了提高分解聚乙烯分子的效率,科学家在裂解过程中加入催化剂来帮助裂解反应的进行,在 400℃~500℃ 的温度下进行无氧裂解,使其回到原始的氢与碳原子状态,接着再重新排列分子组成,就可将废塑胶转换成有用的燃料与蜡。

不过分解过程中所需用到的催化剂原料铱(Ir)与铼(Re)金属,价格并不便宜。科学家的目标将致力于改善塑胶与催化剂间使用量的比例,将催化剂的比例降低,或提高催化剂回收率;除此之外也研究以更低价格的催化剂来取代昂贵的金属,并期望未来若技术更成熟进步,可以处理未经分类、特殊分类或复合材质的塑胶。

废塑胶回收裂解炼油,约 80~85% 可转化为燃料油,其馀 5% 为天然气,10% 则为碳黑。这项技术为塑胶垃圾的处理提供了一个可行的方法,让危害环境和生态的塑胶垃圾有机会变成有价值的资源。