Forskere rapporterer om mulige løsninger til svært genanvendelig plast

Millioner af tons plastik ender hvert år på lossepladser. Det er et stort samfundsproblem og en endnu større miljøtrussel.

I USA, mindre end 9 % af plastaffaldet genanvendes. I stedet, mere end 75 % af plastikaffaldet ender på lossepladser og op til 16 % afbrændes, en proces, der frigiver giftige gasser til atmosfæren.

Forskere fra University of Delawares Center for Plastics Innovation (CPI) har udviklet en direkte metode til at omdanne engangsplastikaffald - plastikposer, yoghurtbeholdere, plastikflasker og flaskehætter, emballage og mere - til brugsklare molekyler til jetbrændstoffer, diesel og smøremidler.

Arbejdet, rapporteret i et blad i Videnskabens fremskridt på onsdag, 21. april, fokuserer på at bruge en ny katalysator og unik proces til hurtigt at nedbryde disse hårdest genanvendelige plastik, kendt som polyolefiner. Polyolefiner tegner sig for 60 til 70% af al plast fremstillet i dag.

Den UD-udviklede proces kræver cirka 50 % mindre energi end andre teknologier, og det involverer ikke tilsætning af kuldioxid til atmosfæren, en emissionsbesparelse i forhold til andre almindeligt anvendte teknikker. Det kan gøres på blot et par timer ved lav temperatur, omkring 250 grader celsius. Dette er lidt højere end den ovntemperatur på 450 grader Fahrenheit, du kan bruge til at stege grøntsager eller bage en butterdej derhjemme.

Vigtigt, UD-teamets metode kan behandle en række plastik, selv når de er blandet sammen, et plus i betragtning af den måde, genbrugsmaterialer håndteres på.

"Kemisk konvertering er den mest alsidige og robuste tilgang til at bekæmpe plastaffald, " sagde Dion Vlachos, projektets hovedefterforsker og Unidel Dan Rich-lærestolen i energiprofessor i kemi- og biomolekylær teknik ved UD.

Medforfattere på papiret inkluderer Sibao Liu, en tidligere UD postdoc forsker, nu lektor i kemiteknik og teknologi ved Tianjin University; og CPI-forskere Pavel Kots, en UD postdoc-stipendiat; Brandon Vance, en UD kandidatstuderende; og Andrew Danielson, en senior hovedfag i kemiteknik.

Oprettelse af brugsklare molekyler

UD-forskerholdet brugte en kemisk proces kaldet hydrocracking til at nedbryde plastikfaststofferne til mindre kulstofmolekyler, derefter tilsat brintmolekyler i hver ende for at stabilisere materialet til brug.

Katalytisk krakning er ikke nyt. Raffinaderier har brugt det til at omdanne tung råolie til benzin i årevis.

Forskerholdets metode, imidlertid, gør mere end bare at bryde plastikken ned. Det omdanner også materialet til forgrenede molekyler, der gør det muligt for dem at blive mere direkte oversat til et slutprodukt.

"Dette gør dem klar til at bruge molekyler til højværdi smøremiddel- eller brændstofapplikationer, sagde Vlachos, som også leder Delaware Energy Institute og Catalysis Center for Energy Innovation på UD.

Selve katalysatoren er faktisk et hybridmateriale, en kombination af zeolitter og blandede metaloxider.

Zeolitter er kendt for at have egenskaber, der gør dem gode til at skabe forgrenede molekyler. Zeolitter findes i ting som vandrensnings- eller blødgøringssystemer og rengøringsmidler til hjemmet, hvor de modvirker mineraler som calcium og magnesium, gør hårdt vand blødere og forbedrer vaskeprocessen.

Blandede metaloxider, i mellemtiden, er kendt for deres evne til at nedbryde store molekyler i den helt rigtige mængde uden at overdrive det. Det syreneutraliserende middel i dit medicinskab, for eksempel, er et metaloxid, der bruges til at nedbryde, eller neutralisere, syren, der forårsager din urolige mave.

"Alene disse to katalysatorer klarer sig dårligt. Sammen, kombinationen gør magi, at smelte plastikken ned og ikke efterlade plastik, " sagde Vlachos.

Dette giver den CPI-udviklede metode en fordel i forhold til de nuværende teknikker, der anvendes i dag, selvom Vlachos understregede, at der er behov for mere arbejde for at oversætte disse videnskabelige metoder til industrien. Et andet plus:holdets katalysatormaterialer er almindeligt anvendte, og derfor, ret billigt og rigeligt.

"Dette er ikke eksotiske materialer, så vi hurtigt kan begynde at tænke på, hvordan vi bruger teknologien, " sagde han. Han og Liu har indgivet et foreløbigt patent på den nye bi-katalysator og unikke metode gennem UD's Office of Economic Innovation and Partnerships.

Bæredygtige løsninger, cirkulær økonomi

Reduktion af plastikaffald ved kemisk at omdanne det til brændstof kan spille en stærk rolle i at drive en cirkulær økonomi, hvor materialer genanvendes til noget nyt ved slutningen af ​​deres levetid, i stedet for at blive smidt væk. De genbrugte komponenter kan bruges til at lave det samme igen eller, i tilfælde af brændstoffer, upcycled til produkter af højere værdi – hvilket skaber både økonomiske og miljømæssige gevinster.

"Denne innovative katalytiske tilgang er et væsentligt fremskridt i vores søgen efter depolymeriseringsprocesser, der involverer mindre energiintensive veje og genererer meget specifikke nedbrydningsmål, sagde CPI-direktør LaShanda Korley, Fremragende professor i materialevidenskab og -teknik og kemi- og biomolekylær teknik. "Denne grundlæggende forståelse åbner op for en ny vej hen imod valorisering af plastaffald."

For Andrew Danielson, en UD senior kemiingeniør major involveret i projektet, de potentielle miljømæssige fordele ved plastomdannelse er spændende.

"Plastaffald er et alvorligt miljøproblem. Jeg tror på, at denne forskning kan være med til at føre til bedre metoder til genbrug af plast, sagde Danielson, hvis bidrag til arbejdet omfattede at verificere de data, der blev indsamlet under projektet ved at gengive eksperimenterne.

Efter eksamen i maj, Danielson vil sætte denne forskningserfaring i arbejde i den kemiske industri. Han har allerede fået et job i proceskontrol, en del af fremstillingsprocessen, der involverer styring af variabler, såsom temperatur, tryk og ledningsevne, blandt andet.

De næste trin i CPI-forskningen inkluderer at undersøge, hvilken anden plast holdets metode kan behandle, og hvilke produkter den kan fremstille. At begynde, Vlachos sagde, at holdet håber at udvide samarbejdet med kolleger på tværs af campus og i Center for Plastics Innovation for at udforske andre muligheder for at lave værdifulde produkter ved at eliminere spild.

"Når denne cirkulære økonomi kommer i gang, verden bliver nødt til at lave færre originale plastik, fordi vi vil genbruge materialer fremstillet i dag i fremtiden, " han sagde.

Et andet mål er at udvikle metoder til at forbedre selve genanvendelsesprocessen.

"Vi vil bruge grøn strøm til at drive den kemiske forarbejdning, der er involveret i at lave nye ting. Vi er meget langt væk i øjeblikket fra at se dette, men det er der, vi er på vej hen over de næste 10 til 20 år, " sagde Vlachos.