面对来势汹汹的电子垃圾,科学家们会采取哪些富有成效的对抗办法呢?


最近,关于塑料的新闻持续不断,无论是#大西洋中微塑料或达2100万吨#,还是#47个人体器官样本中校测到塑料成分#,“白色污染”已经逐渐威胁着生态平衡, 也在影响着人类健康。

然而在信息时代,电子产品一旦废弃,也会给本就十分脆弱的生态环境系统增添重负。电子产品结构复杂,所用材料涉及的种类很多,加上许多材料有较高的力学强度,很难在自然环境中分解。那么面对来势汹汹的电子垃圾,科学家们会采取哪些富有成效的对抗办法呢?

微生物:化解电子垃圾的勇士

科学家们发现研究开发用于电子产品的可生物降解的材料,是解决电子垃圾问题的一条有效途径。这里所说的生物降解,是指微生物对于材料的降解作用;而可生物降解材料,就是在自然环境中微生物的作用下能够降解的材料。如此说来,不起眼的微生物竟可以成为化解电子垃圾的勇士了。

那么,微生物是怎样发挥作用的呢?电子垃圾的主体是高分子材料,对于可生物降解的高分子材料,将其置于自然环境中“堆肥”的条件下,降解过程就一步步地发生了:首先,微生物分泌出的水解酶黏附在材料表面,通过酶的水解作用,切断材料表面的高分子链,生成小分子化合物,这就是“降解”。

然后,降解的生成物被微生物摄入体内,化作微生物的躯体或转变为微生物活动的能量,经过种种代谢途径,最终转化成二氧化碳和水,或许还有一些对环境无害的无机盐。而二氧化碳和水又将参与新一轮生命物质的缔造,这就是自然界的生命循环,也可看作是“碳素”的循环。在这个循环过程中,微生物的辛勤劳作是功不可没的。

天然高分子:大自然的慷慨馈赠

用于工业产品(包括电子产品)的可生物降解材料,除了要在自然环境中生物降解之外,还应满足其他许多条件:第一,它的生产过程不会对环境造成污染;第二,它的降解产物不会危害环境;第三,在性能上,它要符合产品对材料性能的要求;第四,它必须能够实现工业化生产,使得生产成本降低,满足产品对于材料成本的要求。

要同时满足这么多条件是很不容易的。到哪里去寻觅这样的材料呢?幸而,我们首先可以从大自然的宝藏中获得慷慨的馈赠。

可生物降解材料的主体是高分子材料,而高分子材料分为两大类:一类是天然高分子材料,另一类是合成高分子材料。天然高分子材料就是大自然的赠予。

大自然生生不息地繁育着无数植物和动物,它们体内存在着大量天然高分子物质,包括纤维素、木质素、淀粉、甲壳素、壳聚糖和各种动植物蛋白质,等等。这些天然高分子能够制成可生物降解的材料。

其中,纤维素是最丰富的天然高分子物质,整个地球每年生成数以百亿吨计的植物纤维素,成为储量惊人的可再生资源。纤维素纤维是一种颇有发展前景,可生物降解的天然高分子材料。如今,在科学家的努力下,纤维素纤维已经获得了惊人的应用成果。

聚乳酸:最有前景的可降解合成高分子材料

再来说说合成高分子材料。前边讲过的天然高分子材料,大多数是可以生物降解的。与此形成鲜明对照,大多数合成高分子材料是不能生物降解的。因此,才有了塑料袋、塑料瓶的白色污染。

近年来,科学界日益重视这方面的研究,一些新型的可生物降解的合成高分子材料被开发研制出来,包括聚乳酸、聚己内酯、聚丁二醇丁二酸酯等。其中,聚乳酸是最具有发展前景的品种。

聚乳酸(PLA)颗粒

提到聚乳酸,人们可能会联想到酸奶,因为酸奶里面是含有乳酸的。但聚乳酸却并非从酸奶中提炼乳酸来生产,而是以玉米等为原料制造的。先将玉米制成淀粉,再对淀粉进行糖化,生成葡萄糖,由葡萄糖及一定的菌种发酵制成高纯度的乳酸。

乳酸分子中有一个羟基(-OH)和一个羧基(-COOH),大量乳酸分子在一定条件下发生聚合反应:不同分子的羟基与羧基相互“脱水缩合”,生成酯基(-COO),释放出水。就这样,乳酸分子们“手拉手”形成了聚合物,名叫聚乳酸(英文缩写为PLA)。聚乳酸在聚合物分类中属于聚酯,是一种塑料。

聚乳酸及其制品在堆肥条件下自然分解成二氧化碳和水,是可完全生物降解的合成高分子材料,实属难能可贵。一般塑料以不可再生的石油为原料,生产聚乳酸的原料玉米则是可再生资源。

此外,聚乳酸还具有良好的生物相容性,且安全无毒。然而,聚乳酸在性能上也有其不足之处,如耐热性较差,而且力学性能较脆。综合考虑性能上的优缺点,聚乳酸主要应用于医疗、农业和包装等领域。在被应用于电子产品之前,聚乳酸一直徘徊在高强度材料及其制品的门槛之外。

日本公司用聚乳酸和洋麻制成了手机外壳

多年来,科技界在努力尝试扩大聚乳酸的应用领域,使这种具有生物降解特性的合成高分子材料能够应用于电子产品。具体的努力方向之一便是提高聚乳酸的力学性能,克服其脆性。为了提高材料的力学性能,通常有两条可供选择的路径:其一,是把该材料与较为“强悍”的材料进行混合,专业术语叫共混;其二,是把该材料与纤维状的材料复合,制成纤维增强复合材料。

对于聚乳酸,科技人员首先尝试了第一条路径。国外多家公司研制了聚乳酸与聚碳酸酯(PC)的共混材料,用于手机外壳的制造,其性能可与常用的手机外壳材料苯乙烯-丙烯腈-丁二烯共聚物(ABS)相媲美。

然而,令人遗憾的是,在这类材料中聚乳酸的用量仅为20%~30%,其余为无法生物降解的聚碳酸酯等材料。显然,该类共混材料不可能从整体上实现生物降解。只能说,该类材料由于部分使用聚乳酸而减少了对于石油资源的依赖。

科技工作者又尝试了第二条路径。日本一家公司采用洋麻作为天然纤维增强剂,研制了聚乳酸与洋麻纤维的复合材料。用洋麻纤维与聚乳酸制成复合材料,可以显著提升聚乳酸的韧性和耐热性,两者还可以一同实现生物降解,堪称是绝妙的配合。

洋麻是一种草本植物,是生产麻绳、麻袋等物品的原料,具有质地坚韧、纤维长、色泽洁白和拉伸强度高等特点

此外,洋麻很廉价,用在聚乳酸中不会增加成本。日本这家公司已经研制出含有20%洋麻纤维的聚乳酸复合材料,用于制造手机外壳,具有良好的耐热性和抗冲击性。在该复合材料组分中,可生物降解材料占到90%,应该说,这是向完全的生物降解材料迈进了一大步。

假如有一天,你用上了聚乳酸外壳做的手机,会不会联想到酸奶?或者,你阅读了本文之后,会在喝酸奶的时候想到手机呢?

从整个社会的视角来看,以塑料废弃物为标志的“白色污染”正愈演愈烈,石油等资源趋于枯竭也绝非危言耸听,而可生物降解材料的开发在材料性能等方面又遭遇了难题。在这样的大背景下,用于电子产品的可生物降解材料的可喜进展,堪称是人们向绿色环保材料迈进的一次破冰之旅。虽然是初试锋芒,却弥足珍贵。