我們如何將石油轉變?yōu)樗芰?/h1>
2021-04-17 16:44:48
中國科學探險 2021年6期 關鍵詞：生物
據(jù)國外媒體報道，海洋學家查爾斯·摩爾稱，只有我們人類才能制造出大自然無法消化的垃圾。據(jù)悉，1997年他在太平洋航?？睖y時發(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入視線范圍的塑料制品廢棄物，這些材料無處不在，我們人類每年生產(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立即丟棄。通常大多數(shù)塑料垃圾被運送到垃圾填埋場進行處理，但其中一些垃圾被吹離，進入河流，最終流入海洋。事實上，平均每年大約有800萬噸塑料污染物進入海洋，纏繞著海洋生物，污染了珊瑚礁，最終被水、風和陽光降解，分解成數(shù)以萬億計的微小塑料顆粒。
對于許多海洋物種來說，塑料顆粒看起來非常有吸引力，頗像食物，它們會以海洋污染物為食，最終因缺乏營養(yǎng)而餓死，微塑料表面也會吸引海洋中的污染物，并最終將這些污染物輸送到動物體內，目前科學家仍在繼續(xù)探索海洋垃圾產(chǎn)生的生物影響。微塑料也有可能對人類造成傷害，因為我們通過吃海鮮甚至飲用水攝入它們。2019年，世界衛(wèi)生組織呼吁展開深入研究，分析微塑料污染對人體健康構成的潛在影響。
支撐這一切的事實是：依據(jù)制造塑料所用的成分，塑料具有難以置信的彈性，而且可能永遠不會真正地生物降解。近年來，科學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)進入海洋的一次性塑料垃圾可能會停留數(shù)百年無法降解，這將對海洋環(huán)境構成嚴重威脅。
我們是如何制造這場持久性塑料危機的？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
英國赫爾大學化學家卡爾·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用，并且具有不同的物理性質，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塑料合作實驗室項目，研究改進塑料工業(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單元組成的分子，其結構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，因為它們可能會在環(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)境危害十分嚴重，因為這類塑料在環(huán)境中存在的時間更長，同時也會造成其他的環(huán)境影響。
為了理解其中的原因，我們來觀察一個石油衍生塑料的實例：將牛奶瓶放入冰箱進行冷藏，這個塑料瓶開始了它的生命歷程，事實上制造此類塑料的原材料并不簡單，它們源自地球深處的原油，原油聚集在地殼內部的高壓區(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。原油的稠密物質是由碳氫化合物組成，碳氫化合物是由碳和氫原子組合，它們形成不同長度的鏈狀結構，賦予其不同特性，這些碳氫化合物是地球上最早的塑料原料。
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)碳氫化合物所含原子的數(shù)量以及由此產(chǎn)生的分子量，將它們分成不同的基團，然后將它們送入附近的蒸餾管中。在蒸餾管中，通常分子結構較長、較重的碳氫化合物沉積在底部，而分子結構較短、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物質，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氫化合物，其中一種是石腦油，該化學物質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，因為它所包含的碳氫化合物中有乙烷和丙烯，這兩種化合物對地球上最常見、最普遍的塑料產(chǎn)品的形成至關重要，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，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，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”，它將碳氫化合物分解成更短的分子結構，其被稱為單體。
專注于可持續(xù)聚合物材料的阿斯頓大學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結構的重要原料?！?/p>
下一步研究是通過一種叫做聚合反應的過程展開的，在該過程中，那些單獨的單體成分以新方式進行化學組合，產(chǎn)生較長的重復鏈，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？聚乙烯的結構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，或者是堅固而堅韌的物質，因此它的用途非常廣泛。此外，聚丙烯的結構也具有獨特的靈活性和彈性，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，其他類型的碳氫化合物是從不同的來源中分離和分解出來的，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單體重復組成，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，每一個聚合物鏈都將以不同方式進行加工處理，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)和儲存、化妝品、技術研發(fā)和醫(yī)藥保健作出了巨大貢獻。
“外來材料”
現(xiàn)在讓我們“快進式”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，是通過分離碳氫化合物，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菌識別，這意味著它們無法被消化，并將其轉化為水和二氧化碳。
萊德肖說：“聚乙烯這類物質在垃圾填埋場需要幾個世紀才能分解，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、水和風的影響下逐漸分解，石油和天然氣衍生的塑料制品會釋放出溫室氣體，并將生產(chǎn)過程中添加的化學物質重新返回環(huán)境中，我們需要特別關注一次性塑料污染的數(shù)量，加上其對環(huán)境長達數(shù)百年的持久性破壞，未來塑料制品造成的環(huán)境災難可能更加嚴重?！?/p>
但也有辦法擺脫這些堆積如山的塑料垃圾，萊德肖認為，生物可降解塑料是未來研究重點之一，這可能是一個潛在的解決方案。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，但同時也要保持傳統(tǒng)聚合物的強度和柔韌性等性能，這正是它們如此受歡迎的原因。但這是一項艱巨的任務，因為傳統(tǒng)聚合物在制造成本上仍然具有競爭力，這使得該任務更加棘手。
但近年來一些生物可降解的方案正在取得進展，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，一旦它進入人類生活環(huán)境，能更有效地生物降解，萊德肖認為，隨著全球范圍內對塑料制品的需求量持續(xù)增大，此類發(fā)明可能會逐漸增多。
在其他領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。
萊德肖說：“或許未來幾年里，我們將從這些細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?！?/p>
無論如何，在制造塑料的過程中，人類設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致的困境，現(xiàn)在我們希望通過研發(fā)新型技術改變這一切！
猜你喜歡
生物多樣性天天愛科學(2022年9期)2022-09-15 01:12:54 生物多樣性天天愛科學(2022年4期)2022-05-23 12:41:48 上上生物當代水產(chǎn)(2022年3期)2022-04-26 14:26:56 發(fā)現(xiàn)不明生物科學大眾(2021年9期)2021-07-16 07:02:54 史上“最黑暗”的生物軍事文摘(2020年20期)2020-11-28 11:42:50 第12話 完美生物航空世界(2020年10期)2020-01-19 14:36:20 最初的生物小學科學(學生版)(2018年3期)2018-04-18 12:34:19 自然生物被直銷知識經(jīng)濟·中國直銷(2017年10期)2017-11-07 02:39:52 清晨生物初歷直銷知識經(jīng)濟·中國直銷(2017年3期)2017-04-16 03:08:01 生物的多樣性文學少年(有聲彩繪)(2017年2期)2017-03-06 08:10:54
據(jù)國外媒體報道，海洋學家查爾斯·摩爾稱，只有我們人類才能制造出大自然無法消化的垃圾。據(jù)悉，1997年他在太平洋航?？睖y時發(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入視線范圍的塑料制品廢棄物，這些材料無處不在，我們人類每年生產(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立即丟棄。通常大多數(shù)塑料垃圾被運送到垃圾填埋場進行處理，但其中一些垃圾被吹離，進入河流，最終流入海洋。事實上，平均每年大約有800萬噸塑料污染物進入海洋，纏繞著海洋生物，污染了珊瑚礁，最終被水、風和陽光降解，分解成數(shù)以萬億計的微小塑料顆粒。
對于許多海洋物種來說，塑料顆粒看起來非常有吸引力，頗像食物，它們會以海洋污染物為食，最終因缺乏營養(yǎng)而餓死，微塑料表面也會吸引海洋中的污染物，并最終將這些污染物輸送到動物體內，目前科學家仍在繼續(xù)探索海洋垃圾產(chǎn)生的生物影響。微塑料也有可能對人類造成傷害，因為我們通過吃海鮮甚至飲用水攝入它們。2019年，世界衛(wèi)生組織呼吁展開深入研究，分析微塑料污染對人體健康構成的潛在影響。
支撐這一切的事實是：依據(jù)制造塑料所用的成分，塑料具有難以置信的彈性，而且可能永遠不會真正地生物降解。近年來，科學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)進入海洋的一次性塑料垃圾可能會停留數(shù)百年無法降解，這將對海洋環(huán)境構成嚴重威脅。
我們是如何制造這場持久性塑料危機的？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
英國赫爾大學化學家卡爾·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用，并且具有不同的物理性質，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塑料合作實驗室項目，研究改進塑料工業(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單元組成的分子，其結構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，因為它們可能會在環(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)境危害十分嚴重，因為這類塑料在環(huán)境中存在的時間更長，同時也會造成其他的環(huán)境影響。
為了理解其中的原因，我們來觀察一個石油衍生塑料的實例：將牛奶瓶放入冰箱進行冷藏，這個塑料瓶開始了它的生命歷程，事實上制造此類塑料的原材料并不簡單，它們源自地球深處的原油，原油聚集在地殼內部的高壓區(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。原油的稠密物質是由碳氫化合物組成，碳氫化合物是由碳和氫原子組合，它們形成不同長度的鏈狀結構，賦予其不同特性，這些碳氫化合物是地球上最早的塑料原料。
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)碳氫化合物所含原子的數(shù)量以及由此產(chǎn)生的分子量，將它們分成不同的基團，然后將它們送入附近的蒸餾管中。在蒸餾管中，通常分子結構較長、較重的碳氫化合物沉積在底部，而分子結構較短、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物質，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氫化合物，其中一種是石腦油，該化學物質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，因為它所包含的碳氫化合物中有乙烷和丙烯，這兩種化合物對地球上最常見、最普遍的塑料產(chǎn)品的形成至關重要，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，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，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”，它將碳氫化合物分解成更短的分子結構，其被稱為單體。
專注于可持續(xù)聚合物材料的阿斯頓大學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結構的重要原料?！?/p>
下一步研究是通過一種叫做聚合反應的過程展開的，在該過程中，那些單獨的單體成分以新方式進行化學組合，產(chǎn)生較長的重復鏈，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？聚乙烯的結構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，或者是堅固而堅韌的物質，因此它的用途非常廣泛。此外，聚丙烯的結構也具有獨特的靈活性和彈性，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，其他類型的碳氫化合物是從不同的來源中分離和分解出來的，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單體重復組成，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，每一個聚合物鏈都將以不同方式進行加工處理，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)和儲存、化妝品、技術研發(fā)和醫(yī)藥保健作出了巨大貢獻。
“外來材料”
現(xiàn)在讓我們“快進式”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，是通過分離碳氫化合物，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菌識別，這意味著它們無法被消化，并將其轉化為水和二氧化碳。
萊德肖說：“聚乙烯這類物質在垃圾填埋場需要幾個世紀才能分解，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、水和風的影響下逐漸分解，石油和天然氣衍生的塑料制品會釋放出溫室氣體，并將生產(chǎn)過程中添加的化學物質重新返回環(huán)境中，我們需要特別關注一次性塑料污染的數(shù)量，加上其對環(huán)境長達數(shù)百年的持久性破壞，未來塑料制品造成的環(huán)境災難可能更加嚴重?！?/p>
但也有辦法擺脫這些堆積如山的塑料垃圾，萊德肖認為，生物可降解塑料是未來研究重點之一，這可能是一個潛在的解決方案。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，但同時也要保持傳統(tǒng)聚合物的強度和柔韌性等性能，這正是它們如此受歡迎的原因。但這是一項艱巨的任務，因為傳統(tǒng)聚合物在制造成本上仍然具有競爭力，這使得該任務更加棘手。
但近年來一些生物可降解的方案正在取得進展，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，一旦它進入人類生活環(huán)境，能更有效地生物降解，萊德肖認為，隨著全球范圍內對塑料制品的需求量持續(xù)增大，此類發(fā)明可能會逐漸增多。
在其他領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。
萊德肖說：“或許未來幾年里，我們將從這些細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?！?/p>
無論如何，在制造塑料的過程中，人類設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致的困境，現(xiàn)在我們希望通過研發(fā)新型技術改變這一切！
猜你喜歡
天天愛科學(2022年9期)2022-09-15 01:12:54
天天愛科學(2022年4期)2022-05-23 12:41:48
當代水產(chǎn)(2022年3期)2022-04-26 14:26:56
科學大眾(2021年9期)2021-07-16 07:02:54
軍事文摘(2020年20期)2020-11-28 11:42:50
航空世界(2020年10期)2020-01-19 14:36:20
小學科學(學生版)(2018年3期)2018-04-18 12:34:19
知識經(jīng)濟·中國直銷(2017年10期)2017-11-07 02:39:52
知識經(jīng)濟·中國直銷(2017年3期)2017-04-16 03:08:01
文學少年(有聲彩繪)(2017年2期)2017-03-06 08:10:54
