افزایش مستقیم زباله های پلاستیکی کاتالیزوری - نانوتکنولوژی طبیعت

بر اساس سند اخیر منتشر شده توسط اتحادیه بین المللی حفاظت از طبیعت (IUCN)، حداقل 14 میلیون تن پلاستیک در هر سال به اقیانوس ها می رود و اکوسیستم دریایی، ایمنی مواد غذایی و فعالیت های اقتصادی را تهدید می کند.¹. رویکردهای کاهش اثرات زیست محیطی پلاستیک در اقیانوس ها شامل کاهش استفاده، استفاده مجدد و بازیافت است. با این حال، از بیش از 400 میلیون تن پلاستیک تولید شده در سال، تنها 9 درصد آن بازیافت می شود²معمولاً با روش‌های متداول حرارتی یا مکانیکی پیرولیز که لزوماً منجر به محصولات کم‌ارزش نسبت به پلاستیک‌های اصلی یا بازیابی انرژی ناکارآمد به شکل گرما می‌شود.³. در سال‌های اخیر، تبدیل کاتالیزوری مستقیم پلاستیک‌های زباله به سوخت‌ها، مواد شیمیایی و مواد با ارزش افزوده، به دلیل مزایای بالقوه زیست‌محیطی و اقتصادی آن، بیشتر و بیشتر مورد توجه قرار گرفته است.

اعتبار: سرگئی ریژوف / عکس سهام آلامی

یک راه متداول برای چرخه مستقیم زباله های پلاستیکی، پلیمریزه کردن آن به مونومرها یا الیگومرهای ارزش افزوده (یا مشتقات آنها) بدون تبدیل بعدی است. طراحی کاتالیزورها محصولات و توزیع آنها را تعیین می کند. به عنوان مثال، با ساختار منظم، پوسته/محل فعال/معماری کاتالیزور هسته‌ای که دارای مکان‌های پلاتین کاتالیزوری در پایه مزوپور است، پلی‌اتیلن با چگالی بالا (HDPE) را می‌توان به‌طور انتخابی هیدروژنولیز کرد و به توزیع باریکی از آلکان‌های دیزل و روان‌کننده تبدیل کرد.⁴. بعلاوه، نانوذرات روتنیوم روی زئولیت HZSM-5، چرخه حلال/بدون هیدروژن HDPE را به یک توزیع قابل جداسازی خطی کاتالیز می کند (C₁-C₆) و هیدروکربن های حلقوی (C₇-C₁₅) (نگاه کنید به مقاله ها در این شماره توسط Du و همکاران).

یکی دیگر از استراتژی های هیجان انگیز برای تولید مستقیم محصولات با ارزش افزوده، پلیمریزاسیون ضایعات پلاستیکی و عملکرد همزمان محصول خام حاصل است. تولید سورفکتانت های معطر از پلی اتیلن را می توان در شرایط عملیاتی نسبتا ملایم، با ترکیب آروماتیزاسیون و هیدروژنولیز با کاتالیزور پلاتین/آلومینا به دست آورد.⁵. علاوه بر این، پروپیلن را می توان به طور انتخابی از پلی اتیلن با درجه ضایعات با بازدهی تا 80 درصد با هیدروژن زدایی نسبی و اتنولیز پشت سر هم از زنجیره غیراشباع تولید کرد.⁶.

معرفی هترواتم ها و هالوژن ها در طی فرآیند پلیمریزاسیون نیز به تشکیل محصولات با ارزش افزوده کمک می کند. به عنوان مثال، محصولات هیدروکربنی گازی را می توان از تبدیل مستقیم پلی اتیلن از طریق یک مسیر اکسیداتیو ساخت. یک تیمار با اسید نیتریک پلی اتیلن را به اسیدهای آلی (سوکسینیک، گلوتاریک و اسید آدیپیک) تبدیل می کند، که سپس می تواند به صورت فوتوکاتالیستی یا الکتروکاتالیستی به الفین تبدیل شود.⁷. علاوه بر این، چرخش اکسیداتیو پلی استایرن به اکسیژن‌های معطر با فوتوکاتالیست نیترید کربن گرافیتی تحت تابش نور مرئی انجام شده است. تبدیل پلی استایرن می تواند بیش از 90% در دمای 150 درجه سانتیگراد باشد و عمدتاً اسید بنزوئیک، استوفنون و بنزآلدئید را در فاز مایع بدست می آورد.⁸.

روش‌های غیرمستقیم دیگری نیز برای چرخه‌سازی پلاستیک‌ها وجود دارد، که در آن پلاستیک‌های زباله ابتدا به مونومرها، الیگومرها یا مشتقات آن‌ها تبدیل می‌شوند و سپس می‌توانند به مواد شیمیایی با ارزش تبدیل شوند. شرایط زیست کاتالیزوری این مسیر چرخه‌سازی غیرمستقیم است، زیرا از یک مرحله جداگانه تولید مونومر می‌گذرد و ممکن است تأثیر منفی بر پیامدهای زیست‌محیطی و اقتصادی فرآیند در مقایسه با افزایش مستقیم داشته باشد.⁹.

پلاستیک های تجاری معمولاً ترکیبی از اجزا یا فرمولاسیون هایی هستند که شامل پلیمرها و افزودنی های مولکولی کوچک هستند. عوامل کلیدی مانند هویت و آرایش مولکولی (درجه انشعاب و/یا اتصال عرضی)، بلورینگی و وزن مولکولی تعیین کننده خواص فیزیکی و شیمیایی پلیمر و دسترسی به پیوندهای شیمیایی است که بر کارایی و گزینش پذیری کاتالیزور تأثیر می گذارد. روش شناسی ساختارشکنی پلاستیک¹⁰. برای مقایسه کمی کاتالیزورها و فرآیندهای در حال توسعه برای مواد اولیه مختلف با ترکیبات شیمیایی و ساختارهای فیزیکی مختلف، خواص فیزیکی بستر پلیمری، ترکیب شیمیایی و ساختار آنها (هویت مونومر، توزیع وزن مولکولی، نقطه ذوب، و بلورینگی)، همچنین شرایط واکنش (pH، دما، بارگذاری بستر، سرعت هم زدن و غیره) باید به دقت گزارش شود. این اندازه شناسی در ادبیات گزارش برای هماهنگ کردن پیشرفت در این زمینه و کمک به مقابله با موضوع آلودگی پلاستیکی به شیوه ای معنادار ضروری است.