מיחזור ישיר של פסולת פלסטיק קטליטי - Nature Nanotechnology

לפי מסמך שפורסם לאחרונה על ידי האיגוד הבינלאומי לשימור הטבע (IUCN), לפחות 14 מיליון טונות של פלסטיק מגיעים לאוקיינוסים מדי שנה, ומאיים על המערכת האקולוגית הימית, על בטיחות המזון ועל הפעילות הכלכלית.¹. גישות להפחתת ההשפעה הסביבתית של פלסטיק באוקיינוסים כוללות הפחתת השימוש, שימוש חוזר ומיחזור. עם זאת, מתוך למעלה מ-400 מיליון טונות של פלסטיק המיוצרים מדי שנה, רק 9% ממוחזרים², בדרך כלל עם שיטות פירוליזה מכניות או תרמיות קונבנציונליות שמובילות בהכרח למוצרים בעלי ערך נמוך יותר מהפלסטיק המקורי או לשחזור אנרגיה לא יעיל בצורה של חום³. בשנים האחרונות, טרנספורמציה קטליטית ישירה של פסולת פלסטיק לדלקים, כימיקלים וחומרים בעלי ערך מוסף זוכה ליותר ויותר תשומת לב, בשל היתרונות הסביבתיים והכלכליים הפוטנציאליים שלו.

קרדיט: Sergey Ryzhov / Alamy Stock Photo

דרך נפוצה למחזור ישיר של פסולת פלסטיק היא דה-פולימריזציה שלה למונומרים או אוליגומרים בעלי ערך מוסף (או נגזרותיהם) ללא טרנספורמציות עוקבות. עיצוב הזרזים קובע את המוצרים והפצתם. לדוגמה, עם ארכיטקטורת מעטפת מזופורית/אתר פעיל/זרז ליבה מסודרת המשלבת אתרי פלטינה קטליטיים בבסיס המזפורה, ניתן לבצע הידרוגנוליזה סלקטיבית של פוליאתילן בצפיפות גבוהה (HDPE) לחלוקה צרה של אלקנים מטווחי דיזל וחומר סיכה.⁴. בנוסף, חלקיקי רותניום על זאוליט HZSM-5 מזרזים מחזור חוזר ללא מימן של HDPE לחלוקה ניתנת להפרדה של ליניארי (C₁–ג₆) ופחמימנים מחזוריים (C₇–ג₁₅) (ראה את סעיף בגיליון זה מאת דו ועמיתיו).

אסטרטגיה מרגשת נוספת ליצור ישירות מוצרים בעלי ערך מוסף היא על ידי דה-פולימריזציה של פסולת פלסטיק ובו זמנית פונקציונליזציה של המוצר הגולמי שנוצר. ניתן להשיג ייצור פעילי שטח ארומטיים מפוליאתילן בתנאי הפעלה מתונים יחסית, על ידי שילוב הארומאטיזציה והידרוגנוליזה עם זרז פלטינה/אלומינה.⁵. בנוסף, ניתן לייצר פרופילן באופן סלקטיבי מפוליאתילן ברמת פסולת עם תפוקות של עד 80% על ידי דה-הידרוגנציה חלקית ואתנוליזה טנדמית של השרשרת הבלתי-רוויה.⁶.

הכנסת הטרואטומים והלוגנים במהלך תהליך הדה-פולימריזציה מסייעת גם להיווצרות מוצרים בעלי ערך מוסף. לדוגמה, ניתן לייצר מוצרי פחמימנים גזיים מהמרה ישירה של פוליאתילן דרך מסלול חמצוני. טיפול בחומצה חנקתית הופך פוליאתילן לחומצות אורגניות (חומצה סוקסינית, גלוטארית ואדיפית), אשר לאחר מכן ניתן להמיר באופן פוטו-קטליטי או אלקטרו-קטליטי לאלפינים⁷. בנוסף, מיחזור חמצוני של פוליסטירן לחמצן ארומטי מומש עם פוטו זרז פחמן ניטריד גרפיטי תחת קרינת אור גלוי. ההמרה של פוליסטירן יכולה להיות יותר מ-90% ב-150 מעלות צלזיוס, תוך קבלת בעיקר חומצה בנזואית, אצטופנון ובנזלדהיד בשלב הנוזלי.⁸.

יש מגוון של גישות עקיפות אחרות למחזור פלסטיק, כאשר פסולת פלסטיק עוברת תחילה דה-פולימר למונומרים, אוליגומרים או נגזרותיהם, אשר לאחר מכן ניתן להפוך עוד יותר לכימיקלים בעלי ערך גבוה תחת תרמו, אלקטרו, צילום או תנאים ביו-קטליטיים. מסלול מחזור זה הוא עקיף, מכיוון שהוא עובר שלב נפרד של יצירת מונומרים ועשויה להיות לו השפעה שלילית הן על ההשלכות הסביבתיות והן על הכלכלה של התהליך בהשוואה למחזור ישיר.⁹.

פלסטיק מסחרי הוא בדרך כלל תערובת של רכיבים או תכשירים הכוללים פולימרים ותוספים של מולקולות קטנות. גורמים מרכזיים כגון הזהות והסידור המולקולריים (מידת ההסתעפות ו/או ההצלבה), הגבישיות והמשקל המולקולרי קובעים את התכונות הפיזיקליות-כימיות של הפולימר ואת הנגישות לקשרים כימיים, המשפיעים על היעילות והבררנות של הקטליטי. מתודולוגיית פירוק פלסטיק¹⁰. להשוות כמותית את הזרזים והתהליכים המפותחים עבור חומרי הזנה שונים עם ההרכבים הכימיים והמבנים הפיזיקליים השונים, התכונות הפיזיקליות של המצע הפולימרי, ההרכב והמבנה הכימי שלהם (זהויות מונומריות, התפלגות משקל מולקולרי, נקודת התכה וגבישיות), כמו כמו כן יש לדווח בקפדנות על תנאי התגובה (pH, טמפרטורה, עומסי מצע, קצב ערבוב וכן הלאה). מטרולוגיה זו בספרות הדיווח חיונית לתיאום ההתקדמות בתחום ולסייע להתמודד עם נושא זיהום הפלסטיק בצורה משמעותית.