Forskere forbedrer processen til at omdanne svært genanvendeligt plastikaffald til brændstof

At omdanne plastikaffald til nyttige produkter gennem kemisk genbrug er en strategi til at løse Jordens voksende plastikforureningsproblem. En ny undersøgelse kan forbedre evnen af ​​en metode, kaldet pyrolyse, til at behandle svært at genbruge blandet plastik - som flerlags fødevareemballage - og generere brændstof som et biprodukt, sagde forskerne.

Pyrolyse involverer opvarmning af plast i et iltfrit miljø, hvilket får materialerne til at nedbrydes og skabe nye flydende eller gasbrændstoffer i processen. Nuværende kommercielle applikationer fungerer imidlertid enten under den nødvendige skala eller kan kun håndtere visse typer plastik, sagde forskerne.

"Vi har en meget begrænset forståelse af blandet plast pyrolyse," sagde Hilal Ezgi Toraman, assisterende professor i energiteknik og kemiteknik ved Penn State. "Det er meget vigtigt at forstå interaktionseffekterne mellem forskellige polymerer under avanceret genbrug, mens vi forsøger at udvikle teknologier, der kan genanvende ægte plastaffald."

Forskerne udførte co-pyrolyse af to af de mest almindelige plasttyper, lavdensitetspolyethylen (LDPE) og polyethylenterephthalat (PET), sammen med forskellige katalysatorer for at studere interaktionseffekterne mellem plastikken. De fandt ud af, at en katalysator kan være en god kandidat til at omdanne blandet LDPE- og PET-affald til værdifulde flydende brændstoffer. Katalysatorer er materialer, der tilsættes til pyrolyse, som kan hjælpe processen, såsom at få plasten til at nedbrydes selektivt og ved lavere temperaturer.

"Denne type arbejde kan give os mulighed for at give retningslinjer eller forslag til industrien," sagde Toraman, som er Virginia S. og Philip L. Walker Jr. Faculty Fellow i John og Willie Leone Family Department of Energy and Mineral Engineering i Penn Stat. "Det er vigtigt at opdage, hvilken slags synergier der er mellem disse materialer under avanceret genbrug, og hvilke typer anvendelser de kan være rigtige til, før du skalerer op."

Plasten, LDPE og PET, findes almindeligvis i fødevareemballage, som ofte består af lag af forskellige plastmaterialer, der er konstrueret til at holde produkterne friske og sikre, men som også er svære at genanvende med traditionelle processer, fordi lagene skal adskilles, hvilket er en dyr proces.

"Hvis du vil genbruge dem, skal du grundlæggende adskille disse lag og måske gøre noget med de enkelte strømme," sagde Toraman. "Men pyrolyse kan klare det, så det er en meget vigtig mulighed. Det er ikke let at finde en sådan teknik, der kan acceptere den rodet kompleksitet af disse forskellige plastmaterialer."

Det første skridt til at udvikle nye kommercielle pyrolyseprocesser afhænger af at have en bedre mekanistisk forståelse af, hvordan dynamiske plastaffaldsblandinger nedbrydes og interagerer, sagde forskerne.

Forskerne udførte pyrolyse på LDPE og PET separat og sammen og observerede interaktionseffekter mellem de to polymerer under test med hver af de tre katalysatorer, de brugte. Forskerne rapporterede resultaterne i tidsskriftet Reaction Chemistry &Engineering .

"Vi så produkter, der kan være meget gode kandidater til benzinanvendelse," sagde Toraman.

Holdet udviklede også en kinetisk model, der var i stand til nøjagtigt at modellere de interaktionseffekter, der blev observeret under co-pyrolyse af LDPE og PET med hver af katalysatorerne. Kinetiske modeller forsøger at forudsige et systems adfærd og er vigtige for bedre at forstå, hvorfor reaktioner opstår.

Toramans forskningsgruppe fokuserer på at lave eksperimenter under veldefinerede og velkontrollerede forhold for at forstå interaktionseffekter under avanceret genbrug af blandet plast og de tilsvarende reaktionsmekanismer.

"Systematiske og grundlæggende undersøgelser om forståelse af reaktionsveje og udvikling af kinetiske modeller er de første skridt mod procesoptimering," sagde Toraman. "Hvis vi ikke har vores kinetiske modeller rigtige, vores reaktionsmekanismer præcist, så hvis vi skalerer op til pilotanlæg eller storskala operationer, vil resultaterne ikke være nøjagtige."

Toraman sagde, at hun håber, at forskningen fører til bedre miljøansvar i genvinding, behandling og udnyttelse af jordens ressourcer.

En global analyse af al masseproduceret plast viste, at i alt 8,3 milliarder tons ny plast anslås at blive genereret på verdensplan til dato. Fra 2015 er 79 % af plastikaffaldet, som indeholder adskillige farlige kemikalier, blevet overladt til at samle sig på lossepladser eller naturlige miljøer med ca. 12 % forbrændt og kun 9 % genanvendt.

"Hvad vi end gør, er bedre end at gøre ingenting," sagde Toraman. "Vi skal have den plastik med i økonomien igen, for at have en cirkulær økonomi, ellers ender de bare på lossepladser, udvasker potentielt giftige stoffer i jorden og vandet eller forurener havene. Så at gøre noget, finde en værdi, er bedre end ingenting. Plast betragtes i øjeblikket som affald, fordi vi behandler disse værdifulde ressourcer som affald."

Andre Penn State-forskere på dette projekt var Sean Timothy Okonsky, ph.d.-studerende i Institut for Kemiteknik, og J.V. Jayarama Krishna, postdoc-forsker i John og Willie Leone Family Department of Energy and Mineral Engineering. + Udforsk yderligere

Hvordan vi kan omdanne plastikaffald til grøn energi