Ny opløsningsmiddelbaseret genbrugsproces kan reducere millioner af tons plastaffald

Flerlags plastmaterialer er allestedsnærværende i fødevarer og medicinsk emballage, især da lagdelingspolymerer kan give disse film specifikke egenskaber, som varmebestandighed eller ilt- og fugtstyring. Men på trods af deres nytteværdi, den altid tilstedeværende plast er umulig at genbruge ved hjælp af konventionelle metoder.

Omkring 100 millioner tons flerlags termoplast - der hver består af hele 12 lag af varierende polymerer - produceres hvert år globalt. Fyrre procent af det samlede beløb er affald fra selve fremstillingsprocessen, og fordi der ikke har været nogen måde at adskille polymererne på, næsten alt det plastik ender på lossepladser eller forbrændingsanlæg.

Nu, Ingeniører fra University of Wisconsin-Madison har været banebrydende for en metode til at genvinde polymererne i disse materialer ved hjælp af opløsningsmidler, en teknik, de har kaldt Solvent-Targeted Recovery and Precipitation (STRAP) behandling. Deres proof-of-concept er detaljeret i dag (20. november, 2020) i journalen Videnskab fremskridt .

Ved at bruge en række opløsningsmiddelvaske styret af termodynamiske beregninger af polymeropløselighed, UW-Madison professorer i kemisk og biologisk teknik George Huber og Reid Van Lehn og deres studerende brugte STRAP-processen til at adskille polymererne i en kommerciel plast bestående af almindelige lagmaterialer polyethylen, ethylenvinylalkohol, og polyethylenterephthalat.

Resultatet? De adskilte polymerer ligner kemisk dem, der blev brugt til at lave den originale film.

Teamet håber nu at kunne bruge de genvundne polymerer til at skabe nye plastmaterialer, viser, at processen kan hjælpe med at lukke genbrugsløkken. I særdeleshed, det kunne gøre det muligt for producenter af flerlags-plast at genvinde de 40 procent af plastaffald, der blev produceret under produktions- og emballeringsprocesserne.

"Vi har demonstreret dette med en flerlags plast, "siger Huber." Vi skal prøve anden flerlagsplast, og vi skal skalere denne teknologi. "

Når kompleksiteten af ​​flerlagsplasten stiger, det samme gør vanskeligheden ved at identificere opløsningsmidler, der kan opløse hver polymer. Derfor er STRAP afhængig af en beregningsmæssig tilgang, der bruges af Van Lehn, kaldet Conductor-lignende screeningsmodel for realistiske opløsningsmidler (COSMO-RS) til at guide processen.

COSMO-RS er i stand til at beregne opløseligheden af ​​målpolymerer i opløsningsmiddelblandinger ved varierende temperaturer, indsnævring af antallet af potentielle opløsningsmidler, der kan opløse en polymer. Holdet kan derefter eksperimentelt undersøge kandidatopløsningsmidlerne.

"Dette giver os mulighed for at tackle disse meget mere komplekse systemer, hvilket er nødvendigt, hvis du rent faktisk vil gøre et indhug i genbrugsverdenen, "siger Van Lehn.

Målet er til sidst at udvikle et beregningssystem, der gør det muligt for forskere at finde opløsningsmiddelkombinationer til genbrug af alle slags flerlagsplast. Teamet håber også at se på miljøpåvirkningen af ​​de opløsningsmidler, det bruger, og etablere en database med grønne opløsningsmidler, der giver dem mulighed for bedre at afbalancere effektiviteten, omkostninger og miljøpåvirkning af forskellige opløsningsmiddelsystemer.

Projektet stammer fra UW-Madisons ekspertise inden for katalyse. I årtier, universitetets kemiske og biologiske ingeniørforskere har været banebrydende for opløsningsmiddelbaserede reaktioner for at omdanne biomasse-som træ eller landbrugsaffald-til nyttige kemikalier eller brændstofforstadier. Meget af den ekspertise omsættes også til opløsningsmiddelbaseret polymergenbrug.

Teamet fortsætter sin forskning om STRAP-behandling gennem det nyetablerede Multi-University Center for Chemical Upcycling of Waste Plastics, instrueret af Huber. Forskere i det amerikanske Department of Energy-finansierede center på $ 12,5 millioner undersøger flere kemiske veje til genvinding og genanvendelse af polymerer.