Direkt återvinning av katalytiskt plastavfall – Nature Nanotechnology

Enligt ett nyligen publicerat dokument från International Union for Conservation of Nature (IUCN) hamnar minst 14 miljoner ton plast i haven varje år, vilket hotar det marina ekosystemet, livsmedelssäkerheten och ekonomiska aktiviteter¹. Tillvägagångssätt för att minska miljöpåverkan från plast i haven inkluderar minskad användning, återanvändning och återvinning. Av de över 400 miljoner ton plast som produceras varje år återvinns dock endast 9 %², vanligtvis med konventionella mekaniska eller termiska pyrolysmetoder som nödvändigtvis leder till lägre värdeprodukter än originalplasten eller ineffektiv energiåtervinning i form av värme³. Under de senaste åren har direkt katalytisk omvandling av plastavfall till förädlade bränslen, kemikalier och material fått mer och mer uppmärksamhet, på grund av dess potentiella miljömässiga och ekonomiska fördelar.

Kredit: Sergey Ryzhov / Alamy Arkivfoto

Ett vanligt sätt att direkt återcirkulera plastavfall är att depolymerisera det till förädlade monomerer eller oligomerer (eller deras derivat) utan efterföljande omvandlingar. Utformningen av katalysatorerna bestämmer produkterna och deras distribution. Till exempel, med en ordnad, mesoporös skal/aktiv plats/kärnkatalysatorarkitektur som innehåller katalytiska platinaställen vid basen av mesoporen, kan högdensitetspolyeten (HDPE) selektivt hydrogenolyseras till en smal fördelning av alkaner i diesel- och smörjmedelsintervallet⁴. Dessutom katalyserar ruteniumnanopartiklar på HZSM-5-zeolit ​​lösningsmedels-/vätefri uppcykling av HDPE till en separerbar fördelning av linjär (C)₁–C₆) och cykliska kolväten (C₇–C₁₅) (se Artikeln i detta nummer av Du och kollegor).

En annan spännande strategi för att direkt generera förädlade produkter är genom att depolymerisera plastavfall och samtidigt funktionalisera den resulterande råprodukten. Produktion av aromatiska ytaktiva ämnen från polyeten kan uppnås under relativt milda driftsförhållanden genom att kombinera aromatisering och hydrogenolys med en platina/aluminiumoxid-katalysator⁵. Dessutom kan propen framställas selektivt från avfallskvalitetspolyeten med utbyte så höga som 80 % genom partiell dehydrering och tandemetenolys av den omättade kedjan⁶.

Införandet av heteroatomer och halogener under depolymerisationsprocessen hjälper också till bildningen av förädlade produkter. Exempelvis kan gasformiga kolväteprodukter framställas från direkt omvandling av polyeten genom en oxidativ väg. En salpetersyrabehandling omvandlar polyeten till organiska syror (bärnstenssyra, glutarsyra och adipinsyra), som sedan kan fotokatalytiskt eller elektrokatalytiskt omvandlas till olefiner⁷. Dessutom har oxidativ uppcykling av polystyren till aromatiska oxygenater realiserats med grafitisk kolnitridfotokatalysator under bestrålning av synligt ljus. Omvandlingen av polystyren kan vara mer än 90 % vid 150 °C, varvid huvudsakligen bensoesyra, acetofenon och bensaldehyd erhålls i vätskefasen⁸.

Det finns en mängd andra indirekta tillvägagångssätt för återvinning av plast, där plastavfall först depolymeriseras till monomerer, oligomerer eller deras derivat, som sedan kan omvandlas ytterligare till högvärdiga kemikalier under termo-, elektro-, foto- eller biokatalytiska förhållanden. Denna upcycling-rutt är indirekt, eftersom den passerar genom ett separat monomergenereringssteg och det kan ha en negativ inverkan på både miljöpåverkan och ekonomin i processen jämfört med direkt upcycling⁹.

Kommersiella plaster är vanligtvis en blandning av komponenter eller formuleringar som inkluderar polymerer och småmolekylära tillsatser. Nyckelfaktorer såsom den molekylära identiteten och arrangemanget (graden av förgrening och/eller tvärbindning), kristallinitet och molekylvikt bestämmer polymerens fysikalisk-kemiska egenskaper och tillgängligheten till kemiska bindningar, vilket påverkar effektiviteten och selektiviteten hos katalysatorn. metodik för plastdekonstruktion¹⁰. Att kvantitativt jämföra de katalysatorer och processer som utvecklas för olika råvaror med de olika kemiska sammansättningarna och fysikaliska strukturerna, de fysikaliska egenskaperna hos det polymera substratet, deras kemiska sammansättning och struktur (monomeridentiteter, molekylviktsfördelning, smältpunkt och kristallinitet), som såväl som reaktionsförhållanden (pH, temperatur, substratladdningar, omrörningshastighet och så vidare) bör noggrant rapporteras. Denna mätning i rapporteringslitteraturen är väsentlig för att samordna framstegen på området och hjälpa till att ta itu med frågan om plastföroreningar på ett meningsfullt sätt.