إعادة تدوير النفايات البلاستيكية التحفيزية المباشرة – تقنية النانو الطبيعية

وفقا لوثيقة حديثة نشرها الاتحاد الدولي لحفظ الطبيعة (IUCN)، فإن ما لا يقل عن 14 مليون طن من البلاستيك ينتهي بها الأمر في المحيطات كل عام، مما يهدد النظام البيئي البحري والسلامة الغذائية والأنشطة الاقتصادية.¹. تشمل أساليب التخفيف من الأثر البيئي للمواد البلاستيكية في المحيطات تقليل الاستخدام وإعادة الاستخدام وإعادة التدوير. ومع ذلك، فمن بين أكثر من 400 مليون طن من البلاستيك الذي يتم إنتاجه كل عام، يتم إعادة تدوير 9٪ فقط²، عادةً باستخدام طرق الانحلال الحراري الميكانيكية أو الحرارية التقليدية التي تؤدي بالضرورة إلى منتجات ذات قيمة أقل من المواد البلاستيكية الأصلية أو استرداد غير فعال للطاقة في شكل حرارة³. في السنوات الأخيرة، أصبح التحول التحفيزي المباشر للنفايات البلاستيكية إلى وقود ومواد كيميائية ومواد ذات قيمة مضافة يحظى باهتمام متزايد، وذلك بسبب فوائده البيئية والاقتصادية المحتملة.

الائتمان: سيرجي ريجوف / علمي ألبوم الصور

إحدى الطرق الشائعة لإعادة تدوير النفايات البلاستيكية بشكل مباشر هي إزالة بلمرتها إلى مونومرات ذات قيمة مضافة أو أوليغومرات (أو مشتقاتها) دون تحويلات لاحقة. يحدد تصميم المحفزات المنتجات وتوزيعها. على سبيل المثال، مع هيكل محفز متوسط ​​المسام/موقع نشط/محفز أساسي يتضمن مواقع البلاتين الحفزية في قاعدة المسام المتوسطة، يمكن تحليل البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) هيدروجينيًا بشكل انتقائي إلى توزيع ضيق من ألكانات الديزل ومواد التشحيم.⁴. بالإضافة إلى ذلك، تعمل جسيمات الروثينيوم النانوية الموجودة على الزيوليت HZSM-5 على تحفيز عملية إعادة التدوير الخالية من المذيبات/الهيدروجين لـ HDPE إلى توزيع قابل للفصل من المواد الخطية (C)₁-C₆) والهيدروكربونات الحلقية (C₇-C₁₅) (انظر مقالة في هذه القضية من قبل دو وزملائه).

هناك إستراتيجية مثيرة أخرى لتوليد منتجات ذات قيمة مضافة بشكل مباشر وهي إزالة بلمرة النفايات البلاستيكية وتشغيل المنتج الخام الناتج في نفس الوقت. يمكن إنتاج المواد الخافضة للتوتر السطحي العطرية من البولي إيثيلين في ظروف تشغيل معتدلة نسبيًا، من خلال الجمع بين الأرومات والتحلل الهيدروجيني مع محفز البلاتين/الألومينا.⁵. بالإضافة إلى ذلك، يمكن إنتاج البروبيلين بشكل انتقائي من مادة البولي إيثيلين المستخدمة في النفايات مع إنتاجية تصل إلى 80% عن طريق نزع الهيدروجين الجزئي والتحليل الترادفي للإيثينول للسلسلة غير المشبعة.⁶.

كما يساعد إدخال الذرات غير المتجانسة والهالوجينات أثناء عملية إزالة البلمرة على تكوين منتجات ذات قيمة مضافة. على سبيل المثال، يمكن تصنيع المنتجات الهيدروكربونية الغازية من التحويل المباشر للبولي إيثيلين عبر طريق الأكسدة. تعمل معالجة حمض النيتريك على تحويل البولي إيثيلين إلى أحماض عضوية (حمض السكسينيك والجلوتاريك والأديبيك)، والتي يمكن بعد ذلك تحويلها بالتحفيز الضوئي أو التحفيز الكهربائي إلى أوليفينات⁷. بالإضافة إلى ذلك، تم تحقيق إعادة التدوير التأكسدي للبوليسترين إلى أكسجينات عطرية باستخدام محفز ضوئي من نيتريد الكربون الجرافيتي تحت إشعاع الضوء المرئي. يمكن أن يصل تحويل البوليسترين إلى أكثر من 90% عند 150 درجة مئوية، ويتم الحصول بشكل أساسي على حمض البنزويك والأسيتوفينون والبنزالدهيد في الطور السائل.⁸.

هناك مجموعة متنوعة من الأساليب الأخرى غير المباشرة لإعادة تدوير البلاستيك، حيث تتم أولاً إزالة بلمرة نفايات البلاستيك إلى مونومرات، أو قليلات، أو مشتقاتها، والتي يمكن بعد ذلك تحويلها إلى مواد كيميائية عالية القيمة تحت المعالجة الحرارية أو الكهربائية أو الضوئية أو الظروف التحفيزية الحيوية. يعتبر طريق إعادة التدوير للأعلى هذا غير مباشر، لأنه يمر عبر خطوة منفصلة لتوليد المونومر وقد يكون له تأثير سلبي على كل من التداعيات البيئية واقتصاديات العملية مقارنة بإعادة التدوير المباشرة للأعلى.⁹.

عادة ما تكون المواد البلاستيكية التجارية عبارة عن مزيج من المكونات أو التركيبات التي تشمل البوليمرات والمواد المضافة ذات الجزيئات الصغيرة. العوامل الرئيسية مثل الهوية الجزيئية والترتيب (درجة التفرع و/أو الارتباط المتبادل)، والبلورة، والوزن الجزيئي تحدد الخصائص الفيزيائية والكيميائية للبوليمر وإمكانية الوصول إلى الروابط الكيميائية، مما يؤثر على كفاءة وانتقائية المادة الحفزية. منهجية تفكيك البلاستيك¹⁰. إجراء مقارنة كمية للعوامل الحفازة والعمليات التي يتم تطويرها للمواد الأولية المختلفة مع التركيبات الكيميائية والهياكل الفيزيائية المختلفة، والخصائص الفيزيائية للركيزة البوليمرية، وتركيبها الكيميائي وبنيتها (هويات المونومر، وتوزيع الوزن الجزيئي، ونقطة الانصهار، والبلورة)، كما كذلك ينبغي الإبلاغ بدقة عن ظروف التفاعل (درجة الحموضة، ودرجة الحرارة، وأحمال الركيزة، ومعدل التحريك، وما إلى ذلك). تعد هذه المقاييس الموجودة في أدبيات التقارير ضرورية لتنسيق التقدم في هذا المجال والمساعدة في معالجة قضية التلوث البلاستيكي بطريقة مجدية.