塑料百年未有之大变局的背后，有着光谱的身影

2022年10月21日，生态环境部领导接受采访时表示，我国已全面禁止“洋垃圾”入境，实现固体废物零进口目标。一席话让“中国不再是世界垃圾场”冲上了当时的热搜。

为什么中国曾经很长一段时间要进口洋垃圾？这些洋垃圾对于中国的环境和普通百姓的身体健康造成了多少触目惊心的伤害？很多官媒和自媒体大V都曾发文进行过专门论述，网上随手就可以搜到。譬如像这一篇：洋垃圾污染严重，为什么中国进口了近半个世纪？

用于堆放“洋垃圾”的货场，图片来源于网络

本文则打算从一个相对专业的角度，以塑料垃圾为例，看看分析仪器在减少塑料垃圾方面能够发挥哪些作用。鉴于分析仪器种类较多，我们暂时聚焦近些年在这一领域较受关注的光谱仪器。

作为过去数十年洋垃圾进口的第一大国，我国进口的垃圾中塑料垃圾占了相当大的比例，国内的塑料再生产业也一度依赖进口塑料垃圾存活发展。

从1992年到2018年，全球72%的塑料垃圾都流往中国进行处理。现在中国这条路被断了之后，可以想象的是，这些废弃塑料将“席卷全球”，并且，排入以海洋为代表的自然界的废旧塑料很有可能会越来越多。

海洋塑料污染，图片来源于网络 

如果套用一句名言的话，塑料，这个19世纪中叶出现的人造合成材料也正面临着“百年未有之大变局”。

我们来看三个数字：

一、2021年联合国环境规划署（UNEP）发布的《从污染到解决方案：全球海洋垃圾和塑料污染评估》报告指出，海洋垃圾中有85%是塑料；

二、2020年，《Science》上刊登了一篇预测文章，到2030年，全球预计每年将有5300万吨的塑料垃圾产生；

三、总部位于巴黎的经济合作与发展组织（OECD）今年初发布的报告显示，全球使用的塑料中只有不到 10% 被回收利用，其他都落入垃圾填埋场或大自然中。

上述数字可以让我们直观地感受到，“地球村”的居民们确实面临着日益严重的“白色污染”问题。

而在环境专业领域，越来越多的人可能还会有另一层担忧，与塑料相关的环境问题不仅仅来自那些大块头的未经破坏的塑料制品，还有一种被称之为“微塑料”的东东。

尽管微塑料对环境的确切影响和对人类健康的危害，在学界仍然存在争议，但采取预防措施减少微塑料的扩散，在这一点上，人们的关切还是非常清晰的。

注：学界普遍认为，粒径小于5毫米的塑料纤维、颗粒或薄膜被称之为微塑料。

2019年，加拿大维多利亚大学的Kieran D. Cox教授和他的团队发表过一项以美国人饮食为基础的研究《Human Consumption of Microplastics》，按照他们的计算结果，每个普通人每周大约吃掉5克微塑料，相当于一张银行卡的重量！

就塑料本身而言，具有耐用、质轻、易成型的特性，这使它成为许多工业产品和日常用品的理想材料，但与其原本高品质材料的定位不同的是，现在塑料很多是用于包装和一次性产品。

日常使用的一次性餐盒

日常生活中，许多物品只用一次，使用时间也很短，然后就被扔进垃圾箱里。塑料的特性是福亦是祸：它们非常耐用，这也恰恰也是塑料降解速度极慢的原因，最终成为环境的噩梦。

首先，塑料材料的硬度使它们较难被机械破坏。而塑料的主要成分，高分子聚合物链的强化学键又使很多种类的塑料具有很强的抵抗化学和生物降解的能力。

据说，塑料自然分解最短也需要20年时间，长的可能要上千年。

焚烧后再填埋所剩余的碳化产物也是一种常见的塑料垃圾处理方式，譬如日本就比较常用这种办法。但如果垃圾燃烧不充分的的话，可能会释放出大量的有害化学物质（譬如大名鼎鼎的二噁英）。

位于东京市居民区的垃圾焚烧处理厂厂房全景

考虑到这些化学物质漫长的分解时间和渗入环境的风险，这似乎也不是一个最佳的解决方案。 所以，对于塑料垃圾的处理问题，长期以来都是科研人员的重要研究课题。那么在这些研究当中，光谱技术能够做些什么呢？

我们知道光谱的种类丰富，下图中列出了一部分常见的光谱技术：

图片来源于网络

它们各有所长，对分子的一些独特性质很敏感，比如振动键频率或是不同电子态之间的跃迁能量……，这也是它们作为检测技术的理论根本。

随着激光技术的进步，特别是小型固体激光器的出现，减少了耗电量，使得像拉曼光谱这样技术的小型便携化成为可能，因为拉曼光谱仪在电池供电的情况下也可以工作了。

还有些光谱技术（例如高光谱技术）已被集成在工业机器视觉系统中，来帮助对样品进行自动识别和鉴定。

高光谱成像技术在工业机器视觉中的应用，图片来源于网络

对于塑料垃圾的处置，无论是回收再利用还是分解处理，预先分类都是非常重要的环节。光谱技术目前在这个领域的一个重要用途，就是用来对不同种类的塑料进行自动分类。

例如2020年的时候，新加坡的一个科研团队提出了一种新的塑料垃圾处理方案。这种处理方案是先把塑料垃圾和某种催化剂混合在一起后，通过集成的光源照射处理，使得塑料垃圾快速分解，整个处理过程仅需六天左右，相比起以往的处理速度快了很多。

只不过从目前的实验结果来看，这种处理方案对于常见的聚乙烯塑料确实有用，但是对于其它塑料的处理效果就没有那么理想。

可见，不同聚合物组成的塑料垃圾需要区别对待，但它们大多是无色的，仅凭肉眼很难分辨。而拉曼光谱和红外光谱等技术对样品中的分子振动非常敏感，可以用来区分它们。

当把这些测量结果和用于自动化数据分析的先进化学计量学方法结合起来，就可以建立起完全自动化的分拣系统，从而显著提高塑料回收工厂的效率。

国外开发的垃圾智能机器人分拣技术，图片来源于网络

如果把多种光谱技术结合在一起，利用不同技术的优势，还可以进一步提高这类系统的效率和准确性。

在生产可循环利用塑料的过程中，光谱方法也常被用作产品质量控制和检查污染物存在的分析技术，利用好这一点对于在制造过程中大胆使用被回收的塑料是非常有帮助的。

还有，搞高分子材料（注：塑料也是高分子材料的一种）的人应该对高分子共混物不陌生。

“这是一类表观均一、含有两种或两种以上不同结构的多组分聚合物体系的材料。通过共混可提高高分子材料的物理力学性能、加工性能，降低成本，扩大使用范围。因而是实现聚合物改性和生产多性能新材料的重要途径之一。”（注：源自百度百科）

举个简单的例子，如果把天然橡胶混入聚苯乙烯（注：日常生活中经常能见到，比如它是一次性塑料餐具的主要原料之一），制成改型聚苯乙烯，就可以改变聚苯乙烯的脆性，使它变得更为坚韧和耐冲击。

而光谱技术在制造领域的另一个用途就是鉴别哪些聚合物种类可以作为可回收共混物的一部分。如果共混物中材料的物理化学行为能够得到很好表征的话，光谱技术还可以用来帮助鉴别共混物的最佳用途。

此外，光谱技术还可以用于初始原料的质量控制，帮助企业识别哪些材料不太可能达到设计所要求的最终性能，可能应用到其他方面会更合适，从而最大限度地减少制造浪费。

“增材制造”这个名词也许普通人很少听说，但提到增材制造当前的一个主要方法——3D打印，大家可能就没那么陌生。

为了提升塑料垃圾的回收使用的效率，不少人正在尝试将回收塑料作为3D打印的原料。据说东京奥运会的98个领奖台都是使用回收的各种塑料垃圾3D打印而成的。

东京奥运会领奖台，图片来源于网络

目前这种方法还在探索阶段，不过未来很有可能成为一种主流的塑料垃圾回收再使用方法。

这个趋势已经被一些科学仪器公司（譬如赛默飞世尔）的市场“触角”所感知，并推出了像集成拉曼光谱和流变测量技术的针对性解决方案，对打印原料和成品的性质进行分析，用以优化打印过程参数。 结语

当前，无论是工业界还是个人对于减少塑料使用的努力，肯定不会白费。不过我们也要清醒地认识到，很多应用领域一时半会儿还确实找不到合适的塑料替代品，比如无菌医疗用品的外包装等。

鉴于传统塑料在未来相当长的一段时期内还无法退出历史舞台，那么作为这个领域的一个重要技术支撑工具，以光谱为代表的分析技术还将继续发挥其应有的作用：研究长寿命的塑料如何降解；聚合物的化学结构与其外在性能之间的关系；紫外照射或机械磨损是如何导致对塑料的破坏等等。

毫无疑问，这些研究成果对于未来的聚合物设计将具有指导意义，人们的理想自然是力争使各种塑料制品既满足不同应用场景所需的多种优良材料特性，同时兼具一定程度的生物降解性。这确实令人很纠结，鱼和熊掌都要！

市面上常见的可降解手提袋，图片来源于网络

此外，大家在日常生活中多少也能感觉到，目前市面上常见的可完全降解塑料品种（包括PLA（聚乳酸）、PBAT（聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯）等）的价格要几倍于像聚乙烯这样的传统塑料，这已成为制约可降解塑料发展的一个瓶颈。而且这些所谓的生物可降解塑料也需要满足一定的条件才会发生有效降解（譬如PLA的降解需要达到工业堆肥的温度和湿度条件）。

2020年1月，生态环境部发布史上最强“禁塑令”，并从2020年末开始执行，这也让国内的生物可降解塑料市场在2021年着实火了一把。但其今后的发展道路，究竟是一步一重天？还是出道即巅峰？现在，还不太好说！