Doğrudan katalitik plastik atıkların ileri dönüşümü – Doğa Nanoteknolojisi

Uluslararası Doğayı Koruma Birliği'nin (IUCN) yakın zamanda yayınladığı bir belgeye göre, her yıl en az 14 milyon ton plastik okyanuslara karışarak deniz ekosistemini, gıda güvenliğini ve ekonomik faaliyetleri tehdit ediyor.¹. Plastiklerin okyanuslardaki çevresel etkisini azaltmaya yönelik yaklaşımlar arasında kullanımın azaltılması, yeniden kullanılması ve geri dönüştürülmesi yer alıyor. Ancak her yıl üretilen 400 milyon tonun üzerinde plastiğin yalnızca %9'u geri dönüştürülüyor², genellikle orijinal plastiklerden daha düşük değerli ürünlere veya ısı biçiminde verimsiz enerji geri kazanımına yol açan geleneksel mekanik veya termal piroliz yöntemleriyle³. Son yıllarda atık plastiklerin katma değerli yakıtlara, kimyasallara ve malzemelere doğrudan katalitik dönüşümü, potansiyel çevresel ve ekonomik faydaları nedeniyle giderek daha fazla ilgi görüyor.

Kredi bilgileri: Sergey Ryzhov / Alamy Stok Fotoğrafı

Plastik atığı doğrudan ileri dönüştürmenin yaygın bir yolu, onu daha sonra dönüşümler olmadan katma değerli monomerlere veya oligomerlere (veya bunların türevlerine) depolimerize etmektir. Katalizörlerin tasarımı ürünleri ve bunların dağılımını belirler. Örneğin, mezogözeneğin tabanında katalitik platin bölgelerini içeren düzenli, mezogözenekli kabuk/aktif bölge/çekirdek katalizör mimarisiyle, yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE), dizel ve yağlayıcı aralığı alkanların dar bir dağılımına seçici olarak hidrojenolize edilebilir.⁴. Ek olarak, HZSM-5 zeolit ​​üzerindeki rutenyum nanopartikülleri, HDPE'nin solvent/hidrojensiz ileri dönüşümünü ayrılabilir bir doğrusal (C) dağılımına katalize eder.₁-C₆) ve siklik hidrokarbonlar (C₇-C₁₅) (bkz. makale Bu sayıda Du ve meslektaşları tarafından yazılmıştır).

Doğrudan katma değerli ürünler üretmeye yönelik bir diğer heyecan verici strateji, plastik atıkların depolimerize edilmesi ve aynı zamanda ortaya çıkan ham ürünün işlevselleştirilmesidir. Polietilenden aromatik yüzey aktif maddelerin üretimi, aromatizasyon ve hidrojenolizi bir platin/alümina katalizörüyle birleştirerek nispeten yumuşak çalışma koşullarında elde edilebilir.⁵. Ek olarak propilen, kısmi dehidrojenasyon ve doymamış zincirin tandem etenolizi yoluyla %80'e kadar yüksek verimlerle atık dereceli polietilenden seçici olarak üretilebilir.⁶.

Depolimerizasyon işlemi sırasında heteroatomların ve halojenlerin dahil edilmesi aynı zamanda katma değerli ürünlerin oluşumuna da yardımcı olur. Örneğin gaz halindeki hidrokarbon ürünleri, polietilenin oksidatif bir yolla doğrudan dönüşümünden yapılabilir. Nitrik asit işlemi, polietileni organik asitlere (süksinik, glutarik ve adipik asit) dönüştürür; bunlar daha sonra fotokatalitik veya elektrokatalitik olarak olefinlere dönüştürülebilir.⁷. Ek olarak polistirenin aromatik oksijenatlara oksidatif ileri dönüşümü, görünür ışık ışınlaması altında grafit karbon nitrür fotokatalizörü ile gerçekleştirildi. Polistirenin dönüşümü 90 °C'de %150'dan fazla olabilir ve sıvı fazda esas olarak benzoik asit, asetofenon ve benzaldehit elde edilir.⁸.

Atık plastiklerin ilk önce monomerlere, oligomerlere veya bunların türevlerine depolimerize edildiği ve daha sonra termo, elektro, foto veya başka koşullar altında yüksek değerli kimyasallara dönüştürülebildiği plastik ileri dönüşümüne yönelik çeşitli dolaylı yaklaşımlar da vardır. biyo-katalitik koşullar. Bu ileri dönüşüm rotası, ayrı bir monomer üretim adımından geçtiği için dolaylıdır ve doğrudan ileri dönüşüme kıyasla hem çevresel sonuçlar hem de sürecin ekonomisi üzerinde olumsuz bir etkiye sahip olabilir.⁹.

Ticari plastikler genellikle polimerler ve küçük moleküllü katkı maddeleri içeren bileşenlerin veya formülasyonların bir karışımıdır. Moleküler kimlik ve düzenleme (dallanma ve/veya çapraz bağlanma derecesi), kristallik ve molekül ağırlığı gibi temel faktörler, polimerin fiziko-kimyasal özelliklerini ve kimyasal bağlara erişilebilirliğini belirleyerek katalitik sistemin etkinliğini ve seçiciliğini etkiler. plastik yapısöküm metodolojisi¹⁰. Farklı hammaddeler için geliştirilen katalizörleri ve prosesleri, çeşitli kimyasal bileşimler ve fiziksel yapılar, polimerik substratın fiziksel özellikleri, bunların kimyasal bileşimi ve yapısı (monomer kimlikleri, moleküler ağırlık dağılımı, erime noktası ve kristallik) ile niceliksel olarak karşılaştırmak. reaksiyon koşullarının yanı sıra (pH, sıcaklık, substrat yüklemeleri, karıştırma hızı vb.) titizlikle rapor edilmelidir. Raporlama literatüründeki bu metroloji, alandaki ilerlemeyi koordine etmek ve plastik kirliliği sorununu anlamlı bir şekilde çözmeye yardımcı olmak için hayati önem taşıyor.