Riciclaggio diretto di rifiuti plastici catalitici – Nature Nanotechnology

Secondo un recente documento pubblicato dall’Unione Internazionale per la Conservazione della Natura (IUCN), ogni anno almeno 14 milioni di tonnellate di plastica finiscono negli oceani, mettendo a rischio l’ecosistema marino, la sicurezza alimentare e le attività economiche¹. Gli approcci per mitigare l’impatto ambientale della plastica negli oceani includono la riduzione dell’uso, il riutilizzo e il riciclaggio. Delle oltre 400 milioni di tonnellate di plastica prodotte ogni anno, però, solo il 9% viene riciclato², solitamente con metodi convenzionali di pirolisi meccanica o termica che portano necessariamente a prodotti di valore inferiore rispetto alla plastica originale o a un recupero energetico inefficiente sotto forma di calore³. Negli ultimi anni, la trasformazione catalitica diretta dei rifiuti di plastica in carburanti, sostanze chimiche e materiali a valore aggiunto sta ricevendo sempre più attenzione, a causa dei suoi potenziali benefici ambientali ed economici.

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Un modo comune per riciclare direttamente i rifiuti di plastica è depolimerizzarli in monomeri o oligomeri a valore aggiunto (o loro derivati) senza successive trasformazioni. Il design dei catalizzatori determina i prodotti e la loro distribuzione. Ad esempio, con un'architettura catalitica ordinata e mesoporosa guscio/sito attivo/nucleo che incorpora siti catalitici di platino alla base del mesoporo, il polietilene ad alta densità (HDPE) può essere idrogenolizzato selettivamente in una ristretta distribuzione di alcani della gamma diesel e lubrificanti⁴. Inoltre, le nanoparticelle di rutenio sulla zeolite HZSM-5 catalizzano il riciclo privo di solventi/idrogeno dell'HDPE in una distribuzione separabile di lineare (C₁-C₆) e idrocarburi ciclici (C₇-C₁₅) (vedi Articolo in questo numero da Du e colleghi).

Un’altra interessante strategia per generare direttamente prodotti a valore aggiunto consiste nel depolimerizzare i rifiuti di plastica e contemporaneamente funzionalizzare il prodotto grezzo risultante. La produzione di tensioattivi aromatici dal polietilene può essere ottenuta in condizioni operative relativamente blande, combinando l'aromatizzazione e l'idrogenolisi con un catalizzatore di platino/allumina⁵. Inoltre, il propilene può essere prodotto selettivamente dal polietilene di scarto con rese fino all'80% mediante deidrogenazione parziale ed etenolisi tandem della catena desaturata⁶.

Anche l'introduzione di eteroatomi e alogeni durante il processo di depolimerizzazione favorisce la formazione di prodotti a valore aggiunto. Ad esempio, i prodotti idrocarburici gassosi possono essere ottenuti dalla conversione diretta del polietilene attraverso un percorso ossidativo. Un trattamento con acido nitrico converte il polietilene in acidi organici (acido succinico, glutarico e adipico), che possono quindi essere convertiti fotocataliticamente o elettrocataliticamente in olefine⁷. Inoltre, il riciclo ossidativo del polistirene in ossigenati aromatici è stato realizzato con fotocatalizzatore di nitruro di carbonio grafitico sotto irradiazione di luce visibile. La conversione del polistirene può essere superiore al 90% a 150 °C, ottenendo principalmente acido benzoico, acetofenone e benzaldeide in fase liquida⁸.

Esistono numerosi altri approcci indiretti per il riciclaggio della plastica, in cui i rifiuti plastici vengono prima depolimerizzati in monomeri, oligomeri o loro derivati, che possono poi essere ulteriormente trasformati in sostanze chimiche di alto valore mediante processi termo, elettro, foto o condizioni biocatalitiche. Questo percorso di upcycling è indiretto, poiché passa attraverso una fase separata di generazione di monomeri e potrebbe avere un impatto negativo sia sulle conseguenze ambientali che sull'economia del processo rispetto al riciclo diretto⁹.

Le plastiche commerciali sono solitamente una miscela di componenti o formulazioni che includono polimeri e additivi a piccole molecole. Fattori chiave come l'identità e la disposizione molecolare (il grado di ramificazione e/o reticolazione), la cristallinità e il peso molecolare determinano le proprietà fisico-chimiche del polimero e l'accessibilità ai legami chimici, influenzando l'efficienza e la selettività dell'agente catalitico metodologia di decostruzione della plastica¹⁰. Confrontare quantitativamente i catalizzatori e i processi sviluppati per diverse materie prime con le varie composizioni chimiche e strutture fisiche, le proprietà fisiche del substrato polimerico, la loro composizione chimica e struttura (identità monomeriche, distribuzione del peso molecolare, punto di fusione e cristallinità), come nonché le condizioni di reazione (pH, temperatura, carica del substrato, velocità di agitazione e così via) devono essere rigorosamente riportate. Questa metrologia nella letteratura di reporting è essenziale per coordinare i progressi nel campo e aiutare ad affrontare il problema dell’inquinamento da plastica in modo significativo.