Plastijäätmete otsene katalüütiline ümbertöötlemine – Nature Nanotechnology

Rahvusvahelise Looduskaitseliidu (IUCN) hiljuti avaldatud dokumendi kohaselt satub igal aastal ookeanidesse vähemalt 14 miljonit tonni plasti, mis ohustab mere ökosüsteemi, toiduohutust ja majandustegevust.¹. Ookeanides leiduvate plastide keskkonnamõju leevendamise meetodid hõlmavad kasutamise, korduskasutamise ja ringlussevõtu vähendamist. Igal aastal toodetavast enam kui 400 miljonist tonnist plastist läheb aga ringlusse vaid 9%.², tavaliselt tavapäraste mehaanilise või termilise pürolüüsi meetoditega, mis viivad tingimata madalama väärtusega toodeteni kui originaalplastid või ebatõhusa energia taaskasutamise soojuse kujul³. Viimastel aastatel on plastikjäätmete otsesele katalüütilisele muutmisele lisandväärtusega kütusteks, kemikaalideks ja materjalideks pälvinud üha rohkem tähelepanu tänu selle potentsiaalsele keskkonna- ja majanduskasule.

Krediit: Sergey Ryzhov / Alamy Stock foto

Levinud viis plastijäätmete otseseks taaskasutamiseks on depolümeriseerida need lisandväärtusega monomeerideks või oligomeerideks (või nende derivaatideks) ilma hilisemate muundamisteta. Katalüsaatorite konstruktsioon määrab tooted ja nende jaotuse. Näiteks järjestatud mesopoorse kesta/aktiivsaidi/südamiku katalüsaatori arhitektuuriga, mis sisaldab mesopoori põhjas katalüütilisi plaatina saite, saab suure tihedusega polüetüleeni (HDPE) valikuliselt hüdrogenolüüsida kitsaks diislikütuse ja määrdeainevahemiku alkaanide jaotuseks.⁴. Lisaks katalüüsivad HZSM-5 tseoliidil olevad ruteeniumi nanoosakesed HDPE lahusti-/vesinikuvaba ümbertöötlemist lineaarse (C) eraldatavasse jaotusse.₁–C₆) ja tsüklilised süsivesinikud (C₇–C₁₅) (vt Artikkel Du ja tema kolleegid).

Teine põnev strateegia lisandväärtusega toodete otseseks loomiseks on plastijäätmete depolümeriseerimine ja samaaegselt saadud toorprodukti funktsionaliseerimine. Aromaatsete pindaktiivsete ainete tootmine polüetüleenist on saavutatav suhteliselt leebetel töötingimustel, kombineerides aromatiseerimise ja hüdrogenolüüsi plaatina/alumiiniumoksiidi katalüsaatoriga⁵. Lisaks saab propüleeni selektiivselt toota jäätmeklassi polüetüleenist kuni 80% saagisega desküllastumata ahela osalise dehüdrogeenimise ja tandemetenolüüsi teel.⁶.

Heteroaatomite ja halogeenide sisseviimine depolümerisatsiooniprotsessi käigus aitab kaasa ka lisandväärtusega toodete moodustumisele. Näiteks saab gaasilisi süsivesiniktooteid valmistada polüetüleeni otsesel muundamisel oksüdatiivsel teel. Lämmastikhappega töötlemine muudab polüetüleeni orgaanilisteks hapeteks (merevaik-, glutaar- ja adipiinhape), mida saab seejärel fotokatalüütiliselt või elektrokatalüütiliselt muuta olefiinideks⁷. Lisaks on nähtava valguse kiiritamisel teostatud polüstüreeni oksüdatiivne ümbertöötlemine aromaatseteks hapnikuühenditeks grafiidi süsiniknitriidi fotokatalüsaatoriga. Polüstüreeni konversioon võib 90 °C juures olla üle 150%, mille tulemusena saadakse vedelfaasis peamiselt bensoehape, atsetofenoon ja bensaldehüüd⁸.

Plasti ümbertöötlemiseks on mitmeid muid kaudseid lähenemisviise, kus plastijäätmed depolümeriseeritakse esmalt monomeerideks, oligomeerideks või nende derivaatideks, mida saab seejärel termo-, elektro-, foto- või keemiliste meetoditega edasi muuta väärtuslikeks kemikaalideks. biokatalüütilised tingimused. See ringlussevõtu tee on kaudne, kuna läbib eraldi monomeeride genereerimise etapi ja sellel võib olla negatiivne mõju nii protsessi keskkonnamõjudele kui ka ökonoomsusele võrreldes otsese taaskasutamisega.⁹.

Kaubanduslikud plastid on tavaliselt segu komponentidest või koostistest, mis sisaldavad polümeere ja väikese molekuliga lisandeid. Peamised tegurid, nagu molekulaarne identsus ja paigutus (hargnemise ja/või ristsidumise aste), kristallilisus ja molekulmass, määravad polümeeri füüsikalis-keemilised omadused ja ligipääsetavuse keemilistele sidemetele, mõjutades katalüütilise aine efektiivsust ja selektiivsust. plastide dekonstruktsiooni metoodika¹⁰. Erinevate lähteainete jaoks väljatöötatavate katalüsaatorite ja protsesside kvantitatiivseks võrdlemiseks erinevate keemiliste koostiste ja füüsikaliste struktuuridega, polümeerse substraadi füüsikaliste omaduste, keemilise koostise ja struktuuriga (monomeeride identsused, molekulmassi jaotus, sulamistemperatuur ja kristallilisus), samuti tuleb täpselt teatada reaktsioonitingimused (pH, temperatuur, substraadi koormus, segamiskiirus jne). Aruandluskirjanduses sisalduv metroloogia on oluline valdkonna edusammude koordineerimiseks ja plastireostuse probleemiga sisukaks lahendamiseks.