Direkte resirkulering av katalytisk plastavfall – Nature Nanotechnology

I følge et nylig dokument publisert av International Union for Conservation of Nature (IUCN), havner minst 14 millioner tonn plast i havene hvert år, og truer det marine økosystemet, mattryggheten og økonomiske aktiviteter¹. Tilnærminger for å redusere miljøpåvirkningen av plast i hav inkluderer å redusere bruk, gjenbruk og resirkulering. Av de over 400 millioner tonn plast som produseres hvert år, blir imidlertid bare 9 % resirkulert², vanligvis med konvensjonelle mekaniske eller termiske pyrolysemetoder som nødvendigvis fører til produkter av lavere verdi enn den originale plasten eller ineffektiv energigjenvinning i form av varme³. De siste årene har direkte katalytisk transformasjon av plastavfall til verdiøkende drivstoff, kjemikalier og materialer fått mer og mer oppmerksomhet, på grunn av potensielle miljømessige og økonomiske fordeler.

Kreditt: Sergey Ryzhov / Alamy Arkivfoto

En vanlig måte å resirkulere plastavfall direkte på er å depolymerisere det til verdiøkende monomerer eller oligomerer (eller deres derivater) uten påfølgende transformasjoner. Utformingen av katalysatorene bestemmer produktene og deres distribusjon. For eksempel, med en ordnet, mesoporøs skall/aktivt sted/kjernekatalysatorarkitektur som inkorporerer katalytiske platinasteder ved bunnen av mesoporen, kan høydensitetspolyetylen (HDPE) selektivt hydrogenolyseres til en smal fordeling av alkaner i diesel- og smøremiddelområdet.⁴. I tillegg katalyserer ruthenium nanopartikler på HZSM-5 zeolitt løsemiddel/hydrogenfri oppsirkulering av HDPE til en separerbar fordeling av lineær (C₁-C₆) og sykliske hydrokarboner (C₇-C₁₅) (se Artikkel i denne utgaven av Du og kolleger).

En annen spennende strategi for direkte å generere verdiøkende produkter er ved å depolymerisere plastavfall og samtidig funksjonalisere det resulterende råproduktet. Produksjon av aromatiske overflateaktive stoffer fra polyetylen kan oppnås ved relativt milde driftsforhold, ved å kombinere aromatiseringen og hydrogenolysen med en platina/aluminiumoksyd-katalysator⁵. I tillegg kan propylen produseres selektivt fra avfallskvalitets polyetylen med utbytter så høye som 80 % ved delvis dehydrogenering og tandem etenolyse av den umettede kjeden⁶.

Innføringen av heteroatomer og halogener under depolymeriseringsprosessen hjelper også til dannelsen av verdiøkende produkter. For eksempel kan gassformige hydrokarbonprodukter lages fra direkte omdannelse av polyetylen gjennom en oksidativ vei. En salpetersyrebehandling omdanner polyetylen til organiske syrer (ravsyre, glutarsyre og adipinsyre), som deretter kan omdannes fotokatalytisk eller elektrokatalytisk til olefiner⁷. I tillegg er oksidativ upcycling av polystyren til aromatiske oksygenater blitt realisert med grafittisk karbonnitrid-fotokatalysator under synlig lysbestråling. Omdannelsen av polystyren kan være mer enn 90 % ved 150 °C, og oppnår hovedsakelig benzosyre, acetofenon og benzaldehyd i væskefasen⁸.

Det finnes en rekke andre, indirekte tilnærminger for resirkulering av plast, der plastavfall først depolymeriseres til monomerer, oligomerer eller deres derivater, som deretter kan transformeres videre til høyverdikjemikalier under termo-, elektro-, foto- eller biokatalytiske forhold. Denne upcycling-ruten er indirekte, siden den går gjennom et separat monomergenereringstrinn og den kan ha en negativ innvirkning på både miljøkonsekvensene og økonomien til prosessen sammenlignet med direkte upcycling.⁹.

Kommersiell plast er vanligvis en blanding av komponenter eller formuleringer som inkluderer polymerer og småmolekylære tilsetningsstoffer. Nøkkelfaktorer som den molekylære identiteten og arrangementet (graden av forgrening og/eller tverrbinding), krystallinitet og molekylvekt bestemmer de fysisk-kjemiske egenskapene til polymeren og tilgjengeligheten til kjemiske bindinger, noe som påvirker effektiviteten og selektiviteten til katalysatoren. plastdekonstruksjonsmetodikk¹⁰. Å kvantitativt sammenligne katalysatorene og prosessene som utvikles for forskjellige råmaterialer med de forskjellige kjemiske sammensetningene og fysiske strukturene, de fysiske egenskapene til det polymere substratet, deres kjemiske sammensetning og struktur (monomer identiteter, molekylvektfordeling, smeltepunkt og krystallinitet), som samt reaksjonsforhold (pH, temperatur, substratbelastninger, rørehastighet og så videre) bør rapporteres strengt. Denne metrologien i rapporteringslitteraturen er avgjørende for å koordinere fremskritt på feltet og bidra til å takle problemet med plastforurensning på en meningsfull måte.