闪蒸法可能是塑料废物的解决方案

据报道，美国得克萨斯州休斯顿莱斯大学的研究人员发现，废塑料的快速闪光焦耳加热(Rapid flash joule heating，FJH)产生大量氢气和高纯度石墨烯，如果证明是可扩展的，这种方法可能会彻底改变新生的氢气产业。

FJH通过碳基产品释放电流，在十分之一秒内将温度提高到3000摄氏度。突然加热会重组产品的化学键，将碳碳键转化为石墨烯，并释放出氢气。

石墨烯是一种宝贵材料(每吨价值6万-20万美元)，具有高导电性和较高的热稳定性、化学稳定性等实用特性。

莱斯大学化学、计算机科学、材料科学和纳米工程教授詹姆斯·图尔(James Tour)说：“我们只是在一个电极上钻了一个洞，氢气就喷出来了。”他是14家公司的创始人，发表了超过785篇研究论文。

James M. Tour教授（左）和他的学生。

美国能源部(DOE)的“地球射击”氢战略旨在建立一个行业，在十年内以1美元的价格生产1千克氢。

“这个方法解决了你的1-1-1挑战。而我们的成本远低于1美元，”图尔说。

“你从街上拿走塑料，你形成了一种材料，这种材料可以让你使用更少的建筑材料，因为你用石墨烯加强了它，你的副产品是氢气。这是一条很棒的路子。”

一家由Tour创立的公司Universal Matter在加拿大、美国和英国设有总部，专注于通过这一过程生产石墨烯。该公司的目标是到2023年底在安大略省伯灵顿建立一个示范工厂。

坚韧、灵活、轻便

Universal Matter表示，通过FJH过程，在不使用溶剂或反应气体的情况下，乱层石墨烯可以从广泛的碳基原料中生产出来，包括回收的塑料，焦炭和石油，以及生物质和废弃的食物垃圾。

石墨烯是一种坚韧、柔韧、轻质、高电阻的纳米材料。福特汽车公司(Ford Motor Co .)说，一张单独的薄片比同样薄的一块钢还要强200倍，该公司是仅有的几家在工业规模上使用石墨烯的公司之一。

“石墨烯与泡沫成分混合，福特和供应商进行的测试表明，与不使用石墨烯的泡沫相比，噪音降低了约17%，机械性能提高了20%，耐热性能提高了30%，”该公司在一份声明中说。

石墨烯每吨价值6万至10万美元，对于福特等汽车制造商来说，作为汽车生产中的增强材料，石墨烯可能具有不可估量的价值。

由Tour、Rice博士校友Kevin Wyss和福特研究人员领导的Rice大学化学家一直在使用快速焦耳加热过程将旧车辆的塑料部件转化为石墨烯，这一过程在新自然杂志《Communications Engineering》上发表的一项联合研究中有详细描述。

一辆普通的SUV包含多达350公斤的塑料，如果不升级为石墨烯，这些塑料将被送往垃圾填埋场。

“回收金属成分后，约12-35%的报废(ELV)汽车被丢弃，约占全球工业废物的5%，Wyss是该研究的主要作者。”将报废汽车废塑料升级回收为闪光石墨烯.’

该研究指出，欧盟实施了一项指令，以确保到2015年ELV原材料的回收至少达到车辆重量的95%，然而几乎所有成员国都没有达到这些指导方针，因为由于原料分离的高成本，ELV废塑料的回收成本很高。

如果Universal Matter等公司可以利用FJH工艺扩大生产规模(福特也正在通过巴西的一个新研究团队进行研究)，石墨烯可能会为全球塑料垃圾的增加提供一个令人信服的解决方案。

而且，由于副产品是氢气，这一过程可以提供两倍的价值。

“它看起来确实是可扩展的...图尔说:“与其让氢逃逸，还不如把它用作能源。”

转向天然气

生命周期评估表明，与蒸汽甲烷重整和电解生产氢气相比，排放减少了39-84%，“表明快速H2是一种经济可行的清洁H2生产路线，”由Tour和Wyss领导的另一项莱斯大学研究在9月声称。

“氢与高价值材料的共同生产可以为实现这一目标提供经济基础，从而取代蒸汽甲烷重整，”根据“零净成本废塑料清洁氢气的合成”。

“废塑料的快速FJH可以在不添加催化剂的情况下分解聚烯烃、聚酯和混合废塑料，产生高产量的氢气……以及高纯度石墨烯作为增值副产品。基于这种FJH H2生产工艺的石墨烯副产品的销售，这种工艺生产的氢气具有负生产成本。”

这项研究提出了最糟糕的情况，假设石墨烯可以以每公斤3美元的价格出售，而目前的市场价值约为每公斤60美元，这使得FJH生产的氢气的初步成本为每公斤负4.24美元。

然而，这一过程的放大充满了潜在的问题，包括燃烧或点燃产生的气体的风险，但图尔相信，无论是对塑料的回收利用还是石墨烯和氢气的生产，这一工作都是值得的。

“我们已经从学术角度解决了这个问题，现在它已经准备好进行过渡了。图尔说:“这种转变之所以被称为‘死亡之谷’，是因为它不容易做到。

“然而，Universal Matter已经在他们的试验设施中展示了规模，然后只是捕获气体的问题。”