Forskere udvikler en effektiv, lavenergimetode til upcycling af polyethylenplastaffald til værdifulde molekyler

Da vi begyndte at bruge plast for omkring 70 år siden, Der blev ikke tænkt så meget over – om nogen – hvad konsekvenserne af deres levetid havde og det faktum, at det kan tage århundreder at nedbryde dem. Følgelig, efterhånden som plastik er blevet diversificeret og blevet lettere at fremstille, planeten skræver nu omkring 8,3 milliarder tons af tingene - næsten hver eneste plastik, der nogensinde er produceret - uden nok teknologi eller incitamenter til at skrumpe den voksende bunke. Plast er billigere og nemmere at producere og smide ud, end det er at genbruge.

UC Santa Barbara-forskerne Susannah Scott og Mahdi Abu-Omar er klar til at ændre dette årtier gamle paradigme. Hvordan? Med en enpotte, lavtemperatur katalytisk metode, der upcycles polyethylen - en polymer, der findes i omkring en tredjedel af al produceret plast, med en global værdi på omkring 200 milliarder dollar årligt-til alkylaromatiske molekyler af høj værdi, der er grundlaget for mange industrikemikalier og forbrugerprodukter. At tilføre værdi til det, der ellers ville blive affald, kunne gøre genanvendelse af plastaffald til en mere attraktiv og praktisk udøvelse med et miljømæssigt gavnligt resultat.

"Her er en potentiel løsning, " sagde Scott, som sammen med sine kolleger nu har offentliggjort deres forskning i tidsskriftet Videnskab . Deres indsats, hun sagde, er en i en voksende liste over mulige foranstaltninger, der kan tages for at gøre plastikkens lineære, ødsel økonomi til en mere bæredygtig, cirkulær en.

"Dette er en demonstration af, hvad der kan gøres, " hun sagde.

Et andet liv for plastaffald

Der kan ikke benægtes, at moderne eksistens skylder plastik meget, fra emballagen, der holder fødevarer friske, til de sterile materialer, der anvendes i medicinske applikationer, til det billige, letvægtsdele, der indgår i mange af vores overkommelige, holdbare varer.

"Der er mange positive ting ved plast, som vi skal have for øje, " sagde Scott, professor i kemi og kemiteknik ved UC Santa Barbara, som besidder UCSB Mellichamp-stolen i bæredygtig katalytisk behandling. "På samme tid, vi indser, at der er dette virkelig alvorlige problem med livets afslutning, som er en utilsigtet konsekvens."

Den egenskab, der gør plastik så anvendelig, er også det, der gør dem så vedholdende, forklarede forskerne. Det er deres kemiske inertitet - de reagerer generelt ikke på andre komponenter i deres miljø. Plastrør ruster eller udvaskes ikke i vandforsyningen, plastikflasker kan opbevare ætsende kemikalier, plastbelægninger kan modstå høje temperaturer.

"Du kan lægge et af disse rør i jorden og hundrede år senere kan du grave det op, og det er præcis det samme rør, og det holder dit vand fuldstændig sikkert, " sagde Scott.

Men denne egenskab af inertitet gør også, at plast er meget langsom til at nedbrydes naturligt og meget energikrævende at gøre det kunstigt.

"De er lavet med kulstof-kulstof, og kulstof-hydrogen-bindinger, og de er meget svære at genanvende kemisk, " forklarede kollega kemiingeniør professor Abu-Omar, der har specialiseret sig i energikatalyse og besidder UCSB Mellichamp Chair in Green Chemistry. Selvom der er brugt meget forskningsindsats på at lære, hvordan man reducerer plast til deres grundlæggende komponenter med henblik på bæredygtighed, energiomkostningerne "har plaget marken i lang tid, " sagde forskerne. Selv fordelen ved at omdanne disse byggeklodser til højværdimolekyler er begrænset, når det er billigere at gøre det samme fra udvundet petroleum.

"På den anden side, hvis vi direkte kunne omdanne polymererne til disse molekyler med højere værdi og fuldstændigt fjerne højenergitrinnet med at gå tilbage til disse byggestensmolekyler, så har vi en proces af høj værdi med et lavt energifodaftryk, " sagde Scott.

Denne innovative tankegang producerede en ny tandem katalytisk metode, der ikke kun skaber højværdi alkylaromatiske molekyler direkte fra affaldspolyethylenplastik, det gør det så effektivt, til lave omkostninger og med et lavt energibehov.

"Vi sænkede temperaturen i transformationen med hundredvis af grader, " sagde Scott. Konventionelle metoder, ifølge avisen, kræver temperaturer mellem 500 og 1000 ° C for at nedbryde polyolefinkæderne i små stykker og samle dem igen til et blandingsprodukt af gas, væske og koks, mens den optimale temperatur for denne katalytiske proces svæver i nærheden af ​​300 ° C. Den relativt milde reaktionstilstand hjælper med at nedbryde polymerer på en mere selektiv måde til et flertal af større molekyler inden for et smøremiddelområde, forklarede forskerne. "Og, vi forenklede antallet af trin i processen, fordi vi ikke laver flere transformationer, "Sagde Scott.

Ud over, processen kræver ingen opløsningsmiddel eller tilsat brint, bare en platin-på-aluminiumoxid (Pt/Al2O3)-katalysator til en tandemreaktion, der både bryder disse hårde carbon-carbon-bindinger, og omarrangerer polymerens molekylære "skelet" for at danne strukturer med de karakteristiske sekssidede ringe - højværdi alkylaromatiske molekyler, der finder udbredt anvendelse i opløsningsmidler, maling, smøremidler, rengøringsmidler, lægemidler og mange andre industri- og forbrugerprodukter.

"Det er svært at danne aromatiske molekyler fra små kulbrinter, " tilføjede avisens hovedforfatter Fan Zhang. "Her, under dannelse af aromater fra polyolefiner, hydrogen dannes som et biprodukt og bruges yderligere til at skære polymerkæderne for at gøre hele processen gunstig. Som resultat, vi får langkædede alkylaromater, og det er det fascinerende resultat."

Denne metode repræsenterer en ny retning i plastens livscyklus, en, hvor affaldspolymerer kan blive værdifulde råmaterialer i stedet for at blive afviklet på lossepladser, eller værre, i vandveje og andre følsomme levesteder.

"Dette er et eksempel på at have en anden anvendelse, hvor vi kunne fremstille disse råvarer mere effektivt og med bedre miljøpåvirkning end at lave dem fra olie, " sagde Abu-Omar. Der skal stadig udføres forskning for at se, hvor og hvordan denne teknologi ville være mest effektiv, men det er en strategi, der kan hjælpe med at mindske ophobningen af ​​plastikaffald, genvinde deres værdi og måske mindske vores afhængighed af den olie, som plastik kommer fra.

"Vi graver et hul i jorden, vi producerer, vi laver, vi bruger, vi smider væk, " sagde Abu-Omar. "Så på en måde, det her bryder virkelig den måde at tænke på. Der er interessant videnskab at lave her, som vil føre os ind i nye opdagelser, nye paradigmer og nye måder at lave kemi på."