Közvetlen katalitikus műanyaghulladék újrahasznosítás – Nature Nanotechnology

A Nemzetközi Természetvédelmi Unió (IUCN) által nemrég közzétett dokumentum szerint évente legalább 14 millió tonna műanyag kerül az óceánokba, veszélyeztetve a tengeri ökoszisztémát, az élelmiszerbiztonságot és a gazdasági tevékenységeket.¹. Az óceánokban található műanyagok környezeti hatásainak mérséklésére irányuló megközelítések közé tartozik a használat csökkentése, az újrafelhasználás és az újrahasznosítás. Az évente előállított több mint 400 millió tonna műanyagnak azonban csak 9%-át hasznosítják újra²általában hagyományos mechanikai vagy termikus pirolízis módszerekkel, amelyek szükségszerűen alacsonyabb értékű termékekhez vezetnek, mint az eredeti műanyagok, vagy nem hatékony energia-visszanyeréshez hő formájában³. Az elmúlt években a hulladék műanyagok hozzáadott értéket képviselő üzemanyagokká, vegyi anyagokká és anyagokká történő közvetlen katalitikus átalakítása egyre nagyobb figyelmet kap, annak potenciális környezeti és gazdasági előnyei miatt.

Köszönetnyilvánítás: Sergey Ryzhov / Alamy Stock fotó

A műanyaghulladék közvetlen újrahasznosításának általános módja az, hogy hozzáadott értékű monomerekké vagy oligomerekké (vagy ezek származékaivá) depolimerizálják, utólagos átalakítás nélkül. A katalizátorok kialakítása határozza meg a termékeket és azok eloszlását. Például egy rendezett, mezopórusos héj/aktív hely/mag katalizátor architektúrával, amely katalitikus platina helyeket tartalmaz a mezopórus alján, a nagy sűrűségű polietilén (HDPE) szelektíven hidrogenolizálható dízel- és kenőanyag-tartományú alkánok szűk eloszlására.⁴. Ezen túlmenően a HZSM-5 zeoliton lévő ruténium nanorészecskék katalizálják a HDPE oldószer/hidrogén-mentes újraciklusát egy elválasztható lineáris (C₁-C₆) és ciklikus szénhidrogének (C₇-C₁₅) (lásd a Cikk ebben a számban Du és munkatársai).

Egy másik izgalmas stratégia a hozzáadott értékű termékek közvetlen előállítására a műanyaghulladék depolimerizálása és a kapott nyerstermék egyidejű funkcionalizálása. Az aromás felületaktív anyagok polietilénből történő előállítása viszonylag enyhe üzemi körülmények között, az aromatizálás és a hidrogenolízis platina/alumínium-oxid katalizátorral történő kombinálásával érhető el.⁵. Ezenkívül a propilén szelektíven előállítható hulladékminőségű polietilénből, akár 80%-os hozammal a desaturált lánc részleges dehidrogénezésével és tandem etenolízisével.⁶.

A depolimerizációs folyamat során heteroatomok és halogének bevezetése is elősegíti a hozzáadott értékű termékek képződését. Például gáz halmazállapotú szénhidrogéntermékek állíthatók elő polietilén oxidatív úton történő közvetlen átalakításával. A salétromsavas kezelés a polietilént szerves savakká (borostyánkősav, glutársav és adipinsav) alakítja át, amelyek azután fotokatalitikusan vagy elektrokatalitikusan alakíthatók olefinekké.⁷. Ezenkívül a polisztirol aromás oxigenátokká történő oxidatív felciklizálását grafitos szén-nitrid fotokatalizátorral valósították meg látható fény besugárzása mellett. A polisztirol konverziója több mint 90% lehet 150°C-on, így főleg benzoesavat, acetofenont és benzaldehidet kapunk folyadékfázisban⁸.

Számos más, közvetett megközelítés létezik a műanyagok újrahasznosítására, ahol a hulladék műanyagokat először monomerekké, oligomerekké vagy származékaikká depolimerizálják, amelyek aztán tovább alakíthatók nagy értékű vegyi anyagokká hő-, elektro-, foto- vagy biokatalitikus körülmények. Ez az újrahasznosítási út közvetett, mivel egy külön monomer-előállítási lépésen megy keresztül, és a közvetlen újrahasznosításhoz képest negatív hatással lehet mind a környezeti hatásokra, mind a folyamat gazdaságosságára.⁹.

A kereskedelmi műanyagok általában polimereket és kis molekulájú adalékanyagokat tartalmazó komponensek vagy készítmények keverékei. Az olyan kulcstényezők, mint a molekulaazonosság és elrendezés (az elágazás és/vagy térhálósodás mértéke), a kristályosság és a molekulatömeg meghatározzák a polimer fizikai-kémiai tulajdonságait és a kémiai kötésekhez való hozzáférhetőségét, befolyásolva a katalitikus hatékonyságát és szelektivitását. műanyag dekonstrukciós módszertan¹⁰. A különböző alapanyagokhoz kifejlesztett katalizátorok és eljárások mennyiségi összehasonlítása a különböző kémiai összetételekkel és fizikai szerkezetekkel, a polimer szubsztrátum fizikai tulajdonságaival, kémiai összetételével és szerkezetével (monomer azonosságok, molekulatömeg-eloszlás, olvadáspont és kristályosság), pl. valamint a reakciókörülményeket (pH, hőmérséklet, szubsztrát terhelés, keverési sebesség és így tovább) szigorúan jelenteni kell. A jelentési irodalomban szereplő metrológia elengedhetetlen a területen elért előrehaladás összehangolásához és a műanyagszennyezés kérdésének érdemi kezeléséhez.