Process konverterer polyethylenposer, plast til polymerbyggesten

Polyethylenplastik - især den allestedsnærværende plastikpose, der ødelægger landskabet - er notorisk svære at genbruge. De er robuste og svære at nedbryde, og hvis de overhovedet genbruges, bliver de smeltet til en polymergryderet, der mest er anvendelig til terrassebord og andre lavværdiprodukter.

Men en ny proces udviklet ved University of California, Berkeley og Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) kunne ændre alt det. Processen bruger katalysatorer til at bryde de lange polyethylen (PE) polymerer i ensartede bidder - propylen med tre kulstofmolekyler - som er råmaterialerne til fremstilling af andre typer højværdi plast, såsom polypropylen.

Processen, ganske vist i de tidlige udviklingsstadier, ville gøre et affaldsprodukt - ikke kun plastikposer og -emballage, men alle typer PE-plastikflasker - til et stort produkt, der efterspørges. Tidligere metoder til at bryde kæderne af polyethylen krævede høje temperaturer og gav blandinger af komponenter med meget lavere efterspørgsel. Den nye proces kunne ikke kun sænke behovet for produktion af fossilt brændstof af propylen, ofte kaldet propen, men også hjælpe med at udfylde et i øjeblikket udækket behov af plastindustrien for mere propylen.

"I det omfang de bliver genbrugt, bliver en masse polyethylenplastik omdannet til materialer af lav kvalitet. Man kan ikke tage en plastikpose og så lave en anden plastikpose med de samme egenskaber ud af den," siger John Hartwig, UC Berkeley's. Henry Rapoport lærer i organisk kemi. "Men hvis du kan tage den polymerpose tilbage til dens monomerer, nedbryde den i små stykker og repolymerisere den, så i stedet for at trække mere kulstof op af jorden, bruger du den som din kulstofkilde til at lave andre ting - f.eks. polypropylen. Vi ville bruge mindre skifergas til det formål, eller til andre anvendelser af propen, og til at udfylde det såkaldte propylengab."

Polyethylenplast udgør omkring en tredjedel af hele plastmarkedet på verdensplan, med mere end 100 millioner tons produceret årligt fra fossile brændstoffer, inklusive naturgas opnået ved hydraulisk frakturering, ofte kaldet skifergas.

På trods af genbrugsprogrammer – genanvendelige PE-produkter er betegnet med plastiknumrene 2 og 4 – bliver kun omkring 14 % af alle polyethylenplastprodukter genanvendt. På grund af deres stabilitet er polyethylenpolymerer svære at nedbryde i deres komponentdele eller depolymerisere, så det meste af genanvendelsen involverer at smelte det og støbe det til andre produkter, såsom havemøbler, eller brænde det som brændstof.

Depolymerisering af polyethylen og omdannelse til proplylen er en måde at upcycling på - det vil sige at producere produkter af højere værdi ud fra i det væsentlige nulværdi affald, samtidig med at brugen af ​​fossile brændstoffer reduceres.

Hartwig og hans kolleger vil offentliggøre detaljerne om deres nye katalytiske proces i denne uge i tidsskriftet Science .

To typer katalysatorer

Hartwig har specialiseret sig i at bruge metalkatalysatorer til at indsætte usædvanlige og reaktive bindinger i kulbrintekæder, hvoraf de fleste er petroleumsbaserede. Nye kemiske grupper kan derefter tilføjes ved disse reaktive bindinger for at danne nye materialer. Kulbrintepolyethylenet, som typisk optræder som en polymerkæde på måske 1.000 ethylenmolekyler - hver ethylen består af to carbon- og fire hydrogenatomer - gav hans team en udfordring på grund af dets generelle ikke-reaktivitet.

Med en bevilling fra det amerikanske energiministerium til at undersøge nye katalytiske reaktioner, kom Hartwig og kandidatstuderende Steven Hanna og Richard J. "RJ" Conk på ideen om at bryde to kulstof-hydrogen-bindinger på polyethylen med en katalysator - i første omgang en iridiumkatalysator og senere med platin-tin og platin-zink-katalysatorer - for at skabe en reaktiv carbon-carbon dobbeltbinding, som ville tjene som en akilleshæl. Med denne sprække i rustningen af ​​polymerens carbon-hydrogen-bindinger kunne de derefter optrevle polymerkæden ved reaktion med ethylen og to yderligere katalysatorer, der reagerer i samarbejde.

"Vi tager et mættet kulbrinte - alle kulstof-kulstof-enkeltbindinger - og fjerner nogle få molekyler hydrogen fra polymeren for at lave kulstof-kulstof-dobbeltbindinger, som er mere reaktive end kulstof-kulstof-enkeltbindinger. Nogle få mennesker havde set på det proces, men ingen havde opnået det på en ægte polymer," sagde Hartwig. "Når du først har fået den carbon-carbon-dobbeltbinding, så bruger du en reaktion kaldet olefinmetatese, som var genstand for en Nobelpris i 2005, med ethylen til at spalte ved carbon-carbon-dobbeltbindingen. Nu har du taget denne langkædede polymer, og du har brudt den i mindre stykker, der indeholder en carbon-carbon dobbeltbinding i enden."

Tilføjelse af en anden katalysator, lavet af palladium, gjorde det muligt at klippe propylenmolekyler (tre-carbonmolekyler) gentagne gange af den reaktive ende. Resultatet:80% af polyethylenet blev reduceret til propylen.

"Når vi først har en lang kæde med en carbon-carbon-dobbeltbinding for enden, tager vores katalysator den carbon-carbon-dobbeltbinding og isomeriserer den, et carbon ind. Ethylen reagerer med det første isomeriserede produkt for at lave propylen og et næsten identisk, bare kortere, polymer med en dobbeltbinding for enden. Og så gør den det samme igen og igen. Den går et skridt ind, kløver; går ind, kløver; går ind og kløver, indtil hele polymeren er skåret i tre-kulstof Fra den ene ende af kæden tygger den bare ned på kæden og spytter propylener af, indtil der ikke er nogen kæde tilbage."

Reaktionerne blev udført i en flydende opløsning med opløselige eller "homogene" katalysatorer. Forskerne arbejder i øjeblikket på en proces med uopløselige eller "heterogene" katalysatorer for at opnå det samme resultat, da faste katalysatorer lettere kan genbruges.

Gruppen demonstrerede, at processen fungerer med en række forskellige PE-plastik, herunder gennemskinnelige mælkeflasker, uigennemsigtige shampooflasker, PE-emballage og de hårde sorte plastiktoppe, der forbinder aluminiumsdåser med fire pakker. Alle blev effektivt reduceret til propylen, hvor kun farvestoffer skulle fjernes.

Hartwigs laboratorium brugte også for nylig innovativ katalyse til at skabe en proces, der forvandler polyethylenposer til klæbemidler, et andet værdifuldt produkt. Sammen kan disse nye processer gøre et indhug i de voksende bunker af plastik, der ender på lossepladser, floder og i sidste ende havene.

"Begge er langt fra kommercialisering," sagde han. "Men det er let at se, hvordan denne nye proces ville omdanne den største mængde plastikaffald til et enormt kemisk råmateriale - med meget yderligere udvikling, selvfølgelig."

Other co-authors of the paper are Jake Shi, Nicodemo Ciccia, Liang Qi, Brandon Bloomer, Steffen Heuvel, Tyler Wills and chemical and biomolecular engineering professor Alexis Bell of UC Berkeley and Ji Yang and research scientist Ji Su of Berkeley Lab. + Udforsk yderligere

New catalytic process turns plastic bags into adhesives