开发将塑料转化为肥料的回收系统 - -为了同时解决塑料的废弃问题和食物问题
【要点】
○用氨水分解以植物为原料的塑料，变成作为肥料的尿素开发交换的回收系统
○证实了回收系统生成的尿素与植物的生长促进有关
○也期待着塑料的废弃问题和人口增加带来的食物问题的同时解决
【概要】
东京工业大学物质理工学院应用化学系的阿部拓海研究生、青木大学辅助教(科学技术振兴机( JST )先驱研究者兼务)、大冢英幸教授等与东京大学研究生院农学生命科学研究科的神谷岳洋副教授、京都大学研究生院工学研究科的沼田圭司教授等共同开发了以植物为原料的塑料(用语1 )日常生活中不可缺少的塑料，现在有70%以上被废弃了。 一方面废弃问题亟待解决，另一方面需求依然很大，人们期望开发能兼顾地球环境保护和塑料利用的创新回收系统。 青木助教们通过证明用氨分解由碳酸酯键构成的塑料(聚碳酸酯) (用语2 )的过程中生成的尿素(用语3 )实际上促进了植物的生长，证实了将塑料转换为肥料的再循环系统 。
虽然正在全力进行将塑料回收至起始原料再利用的化学回收利用(用语4 )的研究，但“将分解过程中生成的化合物作为促进植物生长的肥料加以活用”这一本回收利用系统的创意是前所未有的。 另外，只要加热氨水就可以促进反应，可以通过简便的工艺实现，因此如果普及，对产业界的波及效果也很大。 由于该回收工艺适用于广泛的分子骨架，因此，今后有望实现可持续性(用语5 )的材料创制及其回收利用。 研究成果将于10月28日(当地时间)刊登在皇家化学会杂志《绿色化学》上。
图1本研究的概念图
研究背景
日常生活中不可缺少的高分子材料(塑料)，其70%以上被废弃了，材料的再循环仅为15%以下。 将塑料返回至起始原料进行再利用的工序被称为化学回收，从很久以前就开始进行研究，但还没有达到飞跃性地提高废弃塑料的回收效率的程度。 现在，为了构筑SDGs (用语6 )提出的循环型社会，塑料处理成本的改善和效率的提高自不必说，还要求开发使以往的回收工艺具有附加值的新的回收系统。
●研究经过
20世纪初，哈伯和博世确立的氨合成法(哈伯博世法，用语7 )是被形容为“用空气做面包”的划时代的发明。 用这种方法合成的氨( NH3 )被转换成培育小麦等的化学肥料(尿素)，飞跃性地提高了食物的产量。 青木助教们的研究小组着眼于具有碳酸酯键的塑料(聚碳酸酯)与氨反应，转换为化学肥料尿素。 本研究的目标是建立一种新的回收系统，即利用氨分解塑料产生的“尿素”作为肥料，促进植物的生长(图2 )。
图2碳酸酯键的氨分解
●研究成果
由碳酸酯键构成的塑料(聚碳酸酯)，可以通过用氨完全分解，转换成“单体(用语8 )”和“尿素”。 使用单体合成生物量资源异山梨酯(用语9 )的聚碳酸酯，基于以下理由，证实了新开发的回收系统 可以说是上面理想的塑料。 (1)被期待作为具有高耐热性、优异的机械强度、透明性的工程塑料材料，回收利用的需求很大。 (2)可以分解为来自作为肥料发挥作用的尿素和葡萄糖(糖)的异山梨酯。 (3)氨分解反应只需加热即可促进，不需要高价的催化剂。
图3本研究概要
为了证实回收系统，以异山梨酯为原料，合成了在高分子的主链骨架中(重复单元中)具有碳酸酯键的聚碳酸酯( PIC ) (图3 )。 其次，用氨分解PIC，调查了其反应溶液的经时变化。 在PIC中加入氨水的反应溶液外观起初为不均匀的白色溶液，但逐渐变成均匀的溶液，24小时后变成完全均匀的溶液(图4 )。
图4反应溶液的外观随时间的变化
其次，从多角度评价了随着碳酸酯键的分解而生成的尿素的生成量和分解生成物。 结果表明，随着反应时间的推移，聚合物中的碳酸酯键发生断裂，确认分子量降低，同时尿素的前体作为稳定的中间体生成。 最终明确了PIC可以完全分解为尿素和异山梨酯，但其分解在室温下花了1个月。 因此，通过研究氨浓度和反应温度的影响，优化反应条件，成功地将PIC在6小时内完全分解为尿素和异山梨酯(图5 )。
图5碳酸酯键的残留量和尿素的生成量
然后，使用通过分解PIC得到的分解生成物(尿素和异山梨酯的混合物)，进行了拟南芥(用语10 )的生长实验(图6 )。 结果表明，分解聚碳酸酯得到的尿素起到肥料的作用。 另外，有趣的是，使用PIC的分解生成物时，与市售的尿素和异山梨醇以1:1混合的情况相比，明确了会促进拟南芥的生长。
由于分解反应过程中会发生部分脱羧，因此PIC分解生成物中尿素和异山梨酯的混合比为0.7:1。 此次结果还表明，异山梨酯和尿素以适当的比例混合，拟南芥有可能更有效地吸收氮营养。
图6使用拟南芥的培育实验
●今后的发展
此次证实的聚碳酸酯氨分解反应不需要高价的催化剂，可以通过简便的操作进行，因此也有望实现工业化。 另一方面，欧洲肥料产业团体( Fertilizers Europe )表示，从氨合成法的发明过去了一个多世纪的今天，由尿素为代表的氮肥生产的食物仍然养活着世界人口的 50%。 本研究证实的回收系统的优点是，不仅可以再生起始原料糖(异山梨酯)，还可以提供促进植物生长的尿素。 今后的目标是通过改变聚碳酸酯的基本骨架和拓扑，实现所期望的功能·物性，同时实现可循环利用为肥料的系统的社会安装。 研究小组期待着本回收系统升华为同时解决“塑料废弃问题”和“人口增长带来的食物问题”的创新系统。 看到了“用塑料做面包”的有趣的未来。
【用语说明】
(1)以植物为原料的塑料:以可再生生物来源的资源(生物质资源)为原料的塑料。 一般的塑料是以石油为原料制作的，而以植物为原料的塑料是以玉米和甘蔗等植物为原料制作的。 不会像石油那样枯竭，还能抑制导致全球变暖的二氧化碳的排放。
(2)由碳酸酯键构成的塑料(聚碳酸酯) :被称为单体的单位分子通过碳酸酯键连续结合而得到的高分子的总称。 以来自石油的双酚a为单体得到的聚碳酸酯，由于耐热性和透明性优良，被广泛用作工程塑料。
(3)尿素:每分子的氮原子含有率高，植物的叶子和作为培育茎的化学肥料，自古以来就在农业中被使用。 也是首次由无机化合物合成的有机化合物。
(4)化学再利用:将使用完的资源，不直接进行，而是通过化学反应进行组成变换后进行再利用。 这是通过将高分子材料还原为单体和少数单体相连的低聚物后再次聚合，以原高分子材料和新高分子材料的形式再生的方法。
(5)可持续发展: Sustainable是由“持续( Sustain )”和“可以( able )”组成的词语，是“可持续发展”的意思。 呼吁不破坏地球的环境，也不要过度使用资源，一边维持美丽的地球一边继续生活。
(6) sdgs:sustainable development goals (可持续发展目标)的简称。 这是2015年联合国峰会通过的，是国际发展目标。
(7)氨的合成法(哈伯·博世法) :弗里茨·哈伯和卡尔·博世于1906年开发的方法。 一种利用以铁为主体的催化剂，使空气中的氮与氢直接反应生产氨的方法。
(8)单体:构成高分子(聚合物)的低分子单位分子。 如果连续结合单体，就可以得到聚合物。 (9)生物质资源异山梨酯:来自可再生生物的单体之一，通过葡萄糖的化学转换得到。 将异山梨酯用于单体得到的聚碳酸酯具有与从石油资源( 双酚a )得到的聚碳酸酯匹敌的耐热性、机械强度和透明性。
(10 )拟南芥:俗称扁草。 由于生长速度快，在室内容易栽培，可以收获大量种子，因此作为植物的模式生物被广泛应用于生长试验。
这次的研究成果是通过以下事业研究领域研究课题得到的。 JST战略性创造研究推进事业先驱研究领域:“拓扑材料科学与创新功能创造” (研究总结:村上修一(东京工业大学理学院教授) )
研究课题名:“以创造空间耦合的高分子拓扑变换反应为关键的异种拓扑的融合”
研究人员:青木大辅(东京工业大学物质理工学院助教)
研究实施地点:东京工业大学
【论文信息】
刊登杂志:Green Chemistry
论文标题:
Plastics to Fertilizers: Chemical Recycling of a Bio-based Polycarbonate as a Fertilizer Source
作者: Takumi Abe，Rikito Takashima，Takehiro Kamiya，Choon Pin Foong，Keiji Numata，Daisuke Aoki，和Hideyuki Otsuka
(DOI:10.1039/D1GC02327F
【咨询方式】
东京工业大学物质理工学院应用化学系助教( JST先驱研究者兼务)青木大辅
电子邮件: AOKI.DAA M.titech.AC.JP 03-5734-2560
传真: 03-5734-2131
【关于JST事业的事情】
科技振兴机构战略研究推进部绿色创新集团嶋林裕子
电子邮件:presto[at]jst.go.jp
03-3512-3526
传真: 03-3222-2066
【采访申请地址】 东京工业大学总务部宣传科
电子邮件:媒体Jim.titech.AC.JP 03-5734-2975
传真: 03-5734-3661
科学技术振兴机构宣传科
Email: jstkoho[at]jst.go.jp
TEL: 03-5214-8404
FAX: 03-5214-8432