직접 촉매 플라스틱 폐기물 업사이클링 – Nature Nanotechnology

국제자연보전연맹(IUCN)이 최근 발표한 문서에 따르면, 매년 최소 14만 톤의 플라스틱이 바다에 버려져 해양 생태계, 식품 안전, 경제 활동을 위협하고 있습니다.¹. 해양 플라스틱이 환경에 미치는 영향을 완화하기 위한 접근 방식에는 사용 감소, 재사용 및 재활용이 포함됩니다. 그러나 매년 생산되는 400억 톤이 넘는 플라스틱 중 재활용되는 것은 9%에 불과합니다.², 일반적으로 원래 플라스틱보다 가치가 낮은 제품을 생성하거나 열 형태의 비효율적인 에너지 회수를 초래하는 기존의 기계적 또는 열분해 방법을 사용합니다.³. 최근에는 잠재적인 환경적, 경제적 이점으로 인해 폐플라스틱을 부가가치 연료, 화학 물질 및 재료로 직접 촉매 변환하는 것이 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다.

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플라스틱 폐기물을 직접 업사이클링하는 일반적인 방법은 후속 변형 없이 이를 해중합하여 부가가치가 높은 모노머나 올리고머(또는 그 파생물)로 만드는 것입니다. 촉매의 설계에 따라 제품과 그 분포가 결정됩니다. 예를 들어, 메조 기공의 기저에 촉매 백금 부위를 포함하는 규칙적인 메조 기공 쉘/활성 부위/코어 촉매 구조를 사용하면 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)이 좁은 분포의 디젤 및 윤활유 범위 알칸으로 선택적으로 수소화분해될 수 있습니다.⁴. 또한, HZSM-5 제올라이트의 루테늄 나노입자는 HDPE의 용매/무수소 업사이클링을 선형(C₁-씨₆) 및 고리형 탄화수소(C₇-씨₁₅) (참조 기사 Du와 동료가 이번 호에 게재함).

부가가치 제품을 직접 생성하는 또 다른 흥미로운 전략은 플라스틱 폐기물을 해중합하는 동시에 생성된 원유 제품을 기능화하는 것입니다. 방향족화 및 수소화분해를 백금/알루미나 촉매와 결합하여 상대적으로 온화한 작업 조건에서 폴리에틸렌으로부터 방향족 계면활성제를 생산할 수 있습니다.⁵. 또한, 프로필렌은 불포화 사슬의 부분 탈수소화 및 직렬 에테놀분해를 통해 최대 80%의 높은 수율로 폐등급 폴리에틸렌으로부터 선택적으로 생산될 수 있습니다.⁶.

해중합 과정에서 헤테로원자와 할로겐을 도입하는 것도 고부가가치 제품 형성에 도움이 됩니다. 예를 들어, 산화 경로를 통해 폴리에틸렌을 직접 전환하여 기체 탄화수소 제품을 만들 수 있습니다. 질산 처리는 폴리에틸렌을 유기산(숙신산, 글루타르산, 아디프산)으로 변환한 후 광촉매 또는 전기촉매를 통해 올레핀으로 변환할 수 있습니다.⁷. 또한 가시광선 조사 하에서 흑연 질화탄소 광촉매를 사용하여 폴리스티렌을 방향족 산소화물로 산화적으로 업사이클링하는 것이 실현되었습니다. 폴리스티렌의 전환율은 90°C에서 150% 이상이 될 수 있으며 주로 액상에서 벤조산, 아세토페논 및 벤즈알데히드를 얻습니다.⁸.

플라스틱 업사이클링을 위한 기타 다양한 간접적인 접근 방식이 있습니다. 여기서는 폐플라스틱을 먼저 단량체, 올리고머 또는 그 파생물로 해중합한 다음 열, 전기, 광 또는 환경 하에서 고가치 화학 물질로 추가로 변환할 수 있습니다. 생체촉매 조건. 이 업사이클링 경로는 별도의 모노머 생성 단계를 거치기 때문에 간접적이며 직접 업사이클링에 비해 환경에 미치는 영향과 프로세스의 경제성 모두에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.⁹.

상업용 플라스틱은 일반적으로 폴리머와 소분자 첨가제를 포함하는 구성 요소 또는 제제의 혼합물입니다. 분자 동일성 및 배열(분지화 및/또는 가교 정도), 결정화도 및 분자량과 같은 주요 요소는 폴리머의 물리화학적 특성과 화학 결합에 대한 접근성을 결정하여 촉매의 효율성과 선택성에 영향을 미칩니다. 플라스틱 해체 방법론¹⁰. 다양한 화학적 조성 및 물리적 구조, 고분자 기질의 물리적 특성, 화학적 조성 및 구조(모노머 동일성, 분자량 분포, 융점 및 결정화도)를 사용하여 다양한 공급원료에 대해 개발 중인 촉매 및 프로세스를 정량적으로 비교합니다. 반응 조건(pH, 온도, 기질 로딩, 교반 속도 등)도 엄격하게 보고되어야 합니다. 보고 문헌의 이러한 측정은 현장의 진행 상황을 조정하고 의미 있는 방식으로 플라스틱 오염 문제를 해결하는 데 필수적입니다.