Άμεση ανακύκλωση απορριμμάτων από καταλυτικά πλαστικά – Nature Nanotechnology

Σύμφωνα με πρόσφατο έγγραφο που δημοσιεύτηκε από τη Διεθνή Ένωση για τη Διατήρηση της Φύσης (IUCN), τουλάχιστον 14 εκατομμύρια τόνοι πλαστικού καταλήγουν στους ωκεανούς κάθε χρόνο, απειλώντας το θαλάσσιο οικοσύστημα, την ασφάλεια των τροφίμων και τις οικονομικές δραστηριότητες.¹. Οι προσεγγίσεις για τον μετριασμό των περιβαλλοντικών επιπτώσεων των πλαστικών στους ωκεανούς περιλαμβάνουν τη μείωση της χρήσης, την επαναχρησιμοποίηση και την ανακύκλωση. Ωστόσο, από τους πάνω από 400 εκατομμύρια τόνους πλαστικού που παράγονται κάθε χρόνο, μόνο το 9% ανακυκλώνεται², συνήθως με συμβατικές μεθόδους μηχανικής ή θερμικής πυρόλυσης που οδηγούν αναγκαστικά σε προϊόντα χαμηλότερης αξίας από τα αρχικά πλαστικά ή σε ανεπαρκή ανάκτηση ενέργειας με τη μορφή θερμότητας³. Τα τελευταία χρόνια, ο άμεσος καταλυτικός μετασχηματισμός των απορριμμάτων πλαστικών σε καύσιμα, χημικά και υλικά προστιθέμενης αξίας τυγχάνει ολοένα και μεγαλύτερης προσοχής, λόγω των πιθανών περιβαλλοντικών και οικονομικών πλεονεκτημάτων του.

Πίστωση: Φωτογραφία αρχείου Sergey Ryzhov / Alamy

Ένας συνηθισμένος τρόπος για την άμεση ανακύκλωση πλαστικών απορριμμάτων είναι ο αποπολυμερισμός τους σε μονομερή ή ολιγομερή προστιθέμενης αξίας (ή τα παράγωγά τους) χωρίς μεταγενέστερους μετασχηματισμούς. Ο σχεδιασμός των καταλυτών καθορίζει τα προϊόντα και τη διανομή τους. Για παράδειγμα, με μια διατεταγμένη αρχιτεκτονική μεσοπορώδους κελύφους/ενεργής τοποθεσίας/πυρήνα καταλύτη που ενσωματώνει καταλυτικές θέσεις πλατίνας στη βάση της μεσοπόρης, το πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας (HDPE) μπορεί να υδρογονολυθεί επιλεκτικά σε μια στενή κατανομή αλκανίων ντίζελ και λιπαντικού εύρους⁴. Επιπλέον, τα νανοσωματίδια ρουθηνίου στον ζεόλιθο HZSM-5 καταλύουν την ανακύκλωση διαλύτη/χωρίς υδρογόνο του HDPE σε μια χωριστή κατανομή γραμμικών (C₁-ΝΤΟ₆) και κυκλικούς υδρογονάνθρακες (C₇-ΝΤΟ₁₅) (βλ Άρθρο σε αυτό το τεύχος από τον Du και τους συνεργάτες του).

Μια άλλη συναρπαστική στρατηγική για την άμεση παραγωγή προϊόντων προστιθέμενης αξίας είναι ο αποπολυμερισμός των πλαστικών απορριμμάτων και η ταυτόχρονη λειτουργία του ακατέργαστου προϊόντος που προκύπτει. Η παραγωγή αρωματικών τασιενεργών από πολυαιθυλένιο μπορεί να επιτευχθεί σε σχετικά ήπιες συνθήκες λειτουργίας, συνδυάζοντας την αρωματοποίηση και την υδρογονόλυση με έναν καταλύτη πλατίνας/αλουμίνας⁵. Επιπλέον, το προπυλένιο μπορεί να παραχθεί επιλεκτικά από πολυαιθυλένιο υψηλής ποιότητας με αποδόσεις έως και 80% με μερική αφυδρογόνωση και διαδοχική αιθενόλυση της αποκορεσμένης αλυσίδας⁶.

Η εισαγωγή ετεροατόμων και αλογόνων κατά τη διαδικασία αποπολυμερισμού βοηθά επίσης τον σχηματισμό προϊόντων προστιθέμενης αξίας. Για παράδειγμα, προϊόντα αέριων υδρογονανθράκων μπορούν να παραχθούν από την άμεση μετατροπή πολυαιθυλενίου μέσω μιας οξειδωτικής οδού. Μια επεξεργασία νιτρικού οξέος μετατρέπει το πολυαιθυλένιο σε οργανικά οξέα (ηλεκτρικό, γλουταρικό και αδιπικό οξύ), τα οποία στη συνέχεια μπορούν να μετατραπούν φωτοκαταλυτικά ή ηλεκτροκαταλυτικά σε ολεφίνες⁷. Επιπλέον, η οξειδωτική ανακύκλωση πολυστυρενίου σε αρωματικά οξυγονούχα άλατα έχει πραγματοποιηθεί με φωτοκαταλύτη γραφίτη νιτριδίου του άνθρακα υπό ακτινοβολία ορατού φωτός. Η μετατροπή του πολυστυρενίου μπορεί να είναι μεγαλύτερη από 90% στους 150 °C, λαμβάνοντας κυρίως βενζοϊκό οξύ, ακετοφαινόνη και βενζαλδεΰδη στην υγρή φάση⁸.

Υπάρχει μια ποικιλία άλλων, έμμεσων προσεγγίσεων για την ανακύκλωση πλαστικών, όπου τα απόβλητα πλαστικά αποπολυμερίζονται πρώτα σε μονομερή, ολιγομερή ή παράγωγά τους, τα οποία στη συνέχεια μπορούν να μετατραπούν περαιτέρω σε χημικά υψηλής αξίας υπό θερμο-, ηλεκτρο-, φωτο- ή βιοκαταλυτικές συνθήκες. Αυτή η διαδρομή ανακύκλωσης είναι έμμεση, καθώς διέρχεται από ένα ξεχωριστό βήμα παραγωγής μονομερών και μπορεί να έχει αρνητικό αντίκτυπο τόσο στις περιβαλλοντικές επιπτώσεις όσο και στα οικονομικά της διαδικασίας σε σύγκριση με την άμεση ανακύκλωση⁹.

Τα πλαστικά του εμπορίου είναι συνήθως ένα μείγμα συστατικών ή σκευασμάτων που περιλαμβάνουν πολυμερή και πρόσθετα μικρών μορίων. Βασικοί παράγοντες όπως η μοριακή ταυτότητα και διάταξη (ο βαθμός διακλάδωσης και/ή διασύνδεσης), η κρυσταλλικότητα και το μοριακό βάρος καθορίζουν τις φυσικοχημικές ιδιότητες του πολυμερούς και την προσβασιμότητα σε χημικούς δεσμούς, επηρεάζοντας την αποτελεσματικότητα και την επιλεκτικότητα του καταλυτικού μεθοδολογία αποδόμησης πλαστικών¹⁰. Για να συγκρίνετε ποσοτικά τους καταλύτες και τις διεργασίες που αναπτύσσονται για διαφορετικές πρώτες ύλες με τις διάφορες χημικές συνθέσεις και φυσικές δομές, τις φυσικές ιδιότητες του πολυμερούς υποστρώματος, τη χημική τους σύνθεση και δομή (ταυτότητες μονομερών, κατανομή μοριακού βάρους, σημείο τήξης και κρυσταλλικότητα), όπως καθώς και οι συνθήκες αντίδρασης (pH, θερμοκρασία, φορτίσεις υποστρώματος, ρυθμός ανάδευσης κ.λπ.) θα πρέπει να αναφέρονται αυστηρά. Αυτή η μετρολογία στη βιβλιογραφία αναφοράς είναι απαραίτητη για τον συντονισμό της προόδου στον τομέα και για την αντιμετώπιση του ζητήματος της πλαστικής ρύπανσης με ουσιαστικό τρόπο.