การอัปไซเคิลขยะพลาสติกแบบเร่งปฏิกิริยาโดยตรง – นาโนเทคโนโลยีธรรมชาติ

ตามเอกสารล่าสุดที่เผยแพร่โดยสหภาพนานาชาติเพื่อการอนุรักษ์ธรรมชาติ (IUCN) พลาสติกอย่างน้อย 14 ล้านตันถูกทิ้งลงสู่มหาสมุทรทุกปี ซึ่งคุกคามระบบนิเวศทางทะเล ความปลอดภัยของอาหาร และกิจกรรมทางเศรษฐกิจ¹. แนวทางในการบรรเทาผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของพลาสติกในมหาสมุทร ได้แก่ การลดการใช้ การใช้ซ้ำ และการรีไซเคิล อย่างไรก็ตาม จากพลาสติกกว่า 400 ล้านตันที่ผลิตทุกปี มีเพียง 9% เท่านั้นที่ถูกรีไซเคิล²โดยปกติจะใช้วิธีไพโรไลซิสเชิงกลหรือความร้อนแบบเดิมซึ่งจำเป็นต้องนำไปสู่ผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าต่ำกว่าพลาสติกดั้งเดิมหรือการนำพลังงานกลับมาใช้ใหม่ในรูปของความร้อนที่ไม่มีประสิทธิภาพ³. ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาโดยตรงของขยะพลาสติกให้เป็นเชื้อเพลิงมูลค่าเพิ่ม สารเคมี และวัสดุกำลังได้รับความสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากอาจเป็นประโยชน์ต่อสิ่งแวดล้อมและเศรษฐกิจ

เครดิต: Sergey Ryzhov / รูปถ่ายหุ้น Alamy

วิธีทั่วไปในการอัปไซเคิลขยะพลาสติกโดยตรงคือการดีพอลิเมอร์ให้เป็นโมโนเมอร์หรือโอลิโกเมอร์ที่มีมูลค่าเพิ่ม (หรืออนุพันธ์ของพวกมัน) โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงในภายหลัง การออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาจะกำหนดผลิตภัณฑ์และการกระจายตัว ตัวอย่างเช่น ด้วยโครงสร้าง mesoporous shell/active site/core catalyst ที่สั่งการ ซึ่งรวมเอาตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตตินั่มที่ฐานของ mesopore ทำให้โพลิเอทิลีนความหนาแน่นสูง (HDPE) สามารถเลือกทำปฏิกิริยาไฮโดรจิโนไลซ์เป็นการกระจายตัวแคบๆ ของดีเซลและอัลเคนช่วงน้ำมันหล่อลื่น⁴. นอกจากนี้ อนุภาคนาโนรูทีเนียมบนซีโอไลต์ HZSM-5 เร่งปฏิกิริยาการอัพไซเคิลตัวทำละลาย/ปราศจากไฮโดรเจนของ HDPE ให้เป็นการกระจายตัวเชิงเส้นแบบแยกส่วนได้ (C₁-ค₆) และไซคลิกไฮโดรคาร์บอน (C₇-ค₁₅) (ดูที่ บทความ ในฉบับนี้โดย Du และเพื่อนร่วมงาน)

กลยุทธ์ที่น่าตื่นเต้นอีกประการหนึ่งในการสร้างผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าเพิ่มโดยตรงคือการลดการเกิดพอลิเมอร์ของขยะพลาสติกและนำผลิตภัณฑ์น้ำมันดิบไปใช้งานไปพร้อมๆ กัน การผลิตสารลดแรงตึงผิวอะโรมาติกจากโพลีเอทิลีนสามารถทำได้ในสภาวะการทำงานที่ค่อนข้างต่ำ โดยการผสมผสานอะโรมาติกและไฮโดรจิโนไลซิสเข้ากับตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตตินัม/อลูมินา⁵. นอกจากนี้ โพรพิลีนสามารถเลือกผลิตจากโพลีเอทิลีนเกรดเสียซึ่งมีผลผลิตสูงถึง 80% โดยการดีไฮโดรจีเนชันบางส่วนและเอทิลีนไลซิสควบคู่ของห่วงโซ่ที่ไม่อิ่มตัว⁶.

การนำเฮเทอโรอะตอมและฮาโลเจนมาใช้ในระหว่างกระบวนการดีพอลิเมอไรเซชันยังช่วยสร้างมูลค่าเพิ่มของผลิตภัณฑ์อีกด้วย ตัวอย่างเช่น ผลิตภัณฑ์ก๊าซไฮโดรคาร์บอนสามารถผลิตได้จากการแปลงโพลิเอทิลีนโดยตรงผ่านเส้นทางออกซิเดชัน การบำบัดด้วยกรดไนตริกจะเปลี่ยนโพลีเอทิลีนให้เป็นกรดอินทรีย์ (กรดซัคซินิก กลูตาริก และกรดอะดิปิก) ซึ่งสามารถแปลงด้วยแสงหรือด้วยไฟฟ้าเป็นโอเลฟินส์ได้⁷. นอกจากนี้ การเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่นของพอลิสไตรีนไปเป็นอะโรมาติกออกซิเจนได้เกิดขึ้นด้วยโฟโตคะตาลิสต์แบบกราไฟต์คาร์บอนไนไตรด์ภายใต้การฉายรังสีของแสงที่มองเห็นได้ การแปลงโพลีสไตรีนสามารถมากกว่า 90% ที่ 150 °C โดยส่วนใหญ่จะได้รับกรดเบนโซอิก อะซิโตฟีโนน และเบนซาลดีไฮด์ในสถานะของเหลว⁸.

มีแนวทางทางอ้อมอื่นๆ มากมายสำหรับการอัปไซเคิลพลาสติก โดยที่ขยะพลาสติกจะถูกกำจัดโพลีเมอร์เป็นโมโนเมอร์ โอลิโกเมอร์ หรืออนุพันธ์ของพวกมัน ซึ่งสามารถเปลี่ยนเป็นสารเคมีที่มีมูลค่าสูงต่อไปได้ภายใต้เทอร์โม อิเล็กโทร ภาพถ่าย หรือ สภาวะตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ เส้นทางการอัปไซเคิลนี้เป็นทางอ้อม เนื่องจากผ่านขั้นตอนการสร้างโมโนเมอร์ที่แยกจากกัน และอาจส่งผลเสียต่อทั้งการแตกสาขาด้านสิ่งแวดล้อมและเศรษฐศาสตร์ของกระบวนการ เมื่อเปรียบเทียบกับการอัปไซเคิลโดยตรง⁹.

พลาสติกเชิงพาณิชย์มักจะมีส่วนผสมของส่วนประกอบหรือสูตรที่มีโพลีเมอร์และสารเติมแต่งที่มีโมเลกุลขนาดเล็ก ปัจจัยสำคัญ เช่น เอกลักษณ์และการจัดเรียงโมเลกุล (ระดับของการแตกแขนงและ/หรือการเชื่อมโยงข้าม) ความเป็นผลึก และน้ำหนักโมเลกุลจะเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติทางเคมีกายภาพของพอลิเมอร์และความสามารถในการเข้าถึงพันธะเคมี ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพและความสามารถในการเลือกสรรของตัวเร่งปฏิกิริยา วิธีการแยกโครงสร้างพลาสติก¹⁰. เพื่อเปรียบเทียบเชิงปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยาและกระบวนการที่พัฒนาขึ้นสำหรับวัตถุดิบตั้งต้นที่แตกต่างกันกับองค์ประกอบทางเคมีและโครงสร้างทางกายภาพต่างๆ คุณสมบัติทางกายภาพของสารตั้งต้นโพลีเมอร์ องค์ประกอบและโครงสร้างทางเคมีของสารตั้งต้น (เอกลักษณ์ของโมโนเมอร์ การกระจายน้ำหนักโมเลกุล จุดหลอมเหลว และความเป็นผลึก) โดย รวมถึงสภาวะของปฏิกิริยา (pH, อุณหภูมิ, ปริมาณของสารตั้งต้น, อัตราการกวน และอื่นๆ) ควรมีการรายงานอย่างเคร่งครัด มาตรวิทยาในรายงานการรายงานนี้มีความสำคัญในการประสานงานความคืบหน้าในภาคสนาม และช่วยแก้ไขปัญหามลพิษจากพลาสติกในลักษณะที่มีความหมาย