A hulladék műanyag üzemanyaggá alakítása: A tudósok szobahőmérsékletű katalitikus átalakító technológiát fejlesztenek ki, amely megoldja a klórozott műanyagok újrahasznosításának globális kihívását
2023-ban, külföldön végzett posztdoktori kutatása során Zhang Wei publikált egy első-szerzős tanulmánytTudománya műanyag folyékony tüzelőanyaggá történő lebontásáról. Két évvel később, 2025-ben, jelenleg az alma mater East China Normal University kutatójaként egy másik első -szerzős tanulmányt publikált (szintén társszerzőként)Tudomány. Ezúttal Kínából és külföldről származó munkatársaival sikeresen alakították át a műanyagot benzinné-a kemény-a-kemény műanyaghulladékot egyetlen lépésben kiváló minőségű benzinné-bontva.
30 fokos hőmérsékleten a technológia 95%-os konverziós arányt ér el a lágy polivinil-klorid (PVC) csövek és 99%-os a kemény PVC csövek és PVC vezetékek esetében. Ez lehetővé teszi a mérgező műanyaghulladék üzemanyaggá alakítását szobahőmérsékleten és atmoszférikus nyomáson végzett alacsony{4}energiájú folyamat során, ami több mint 70%-kal csökkenti az energiafogyasztást.
Johannes Lercher, a cikk társszerzője, valamint az Egyesült Államok Nemzeti Mérnöki Akadémiájának és az Európai Tudományos Akadémiának tagja, megjegyezte: „Ez a technológia olyan, mintha egy „vegyi ollót” találnánk a műanyaghulladékhoz, amely képes polimerláncokat szobahőmérsékleten benzin méretű molekulákká vágni. A globális gazdaság számára kulcsfontosságú támogatást nyújt.”
A műanyag tüzelőanyaggá alakításának hagyományos módszereihez képest ez az új megközelítés kevesebb energiát, kevesebb eszközt és lépést igényel, és alkalmas nagy{0}}ipari alkalmazásokra. Az így létrejövő termékek között megtalálhatóak a benzin, a vegyi alapanyagok és a sósav kulcsfontosságú összetevői, amelyek felhasználhatók a vízkezelésben, a fémfeldolgozásban, a gyógyszeriparban, az élelmiszergyártásban és a kőolajiparban.
Azáltal, hogy a különféle műanyaghulladékokat egy lépésben értékes termékekké alakítják, ez a módszer támogatja a zöld gazdaság fejlődését.
A tanulmányban Zhang és csapata a műanyaghulladékot könnyű izoalkán szénhidrogénekkel-az olajfinomítás melléktermékével- keverte, hogy benzin-tartományú szénhidrogéneket, elsősorban 6-12 szénatomos molekulákat, a benzin fő összetevőit állítsa elő. A visszanyert sósav biztonságosan közömbösíthető és újra felhasználható nyersanyagként, ami potenciálisan helyettesíthet számos, jelenleg a területen használt magas{6}}hőmérsékletű, energiaigényes-termelési módot.
A poliolefinek a globális műanyagtermelés mintegy 50%-át teszik ki, míg a PVC, egy klórozott származék, további 10%-ot. A PVC mindenütt megtalálható-az otthoni vízvezetékektől és ablakoktól a műbőr táskákig, padlóburkolatokig, bankkártyákig és vezetékszigetelésig.
Magas klórtartalmával (körülbelül 57 tömegszázalék) a PVC súlyosabb környezeti kihívásokat jelent, ha eldobják, mint más polimerek. A hagyományos módszerek, például az égetés alapos klórmentesítést igényelnek, hogy megakadályozzák a mérgező klórozott vegyületek, például a dioxinok és a poliklórozott bifenilek felszabadulását.
Válaszul az európai és az Egyesült Államok szabályozó ügynökségei 2023-ban megkezdték a PVC-vel kapcsolatos anyagok felülvizsgálatát, kiemelve a PVC környezeti hatásainak kezelésének sürgősségét.
A műanyagot nagy{0}}tisztaságú komponensekre bontó kémiai javítási utak általában külön magas hőmérsékletű-klórmentesítési lépéseket igényelnek. Zhang stratégiája egyetlen lépésben a hulladék PVC-t klór-mentes üzemanyag-szénhidrogénré és sósavvá fejleszti.
Ez az eljárás lehetővé teszi a PVC és poliolefin keverékek teljes katalitikus átalakítását egy lépésben, jelentősen növelve a korábban közölt konverziós technológiák hatékonyságát a poliolefinek esetében.
A kutatók azt találták, hogy a PVC karbokation forrásként szolgálhat, így nincs szükség külső iniciátorra, és felgyorsítja az általános reakciósebességet. Például, ha a PVC és a polietilén aránya 1:1, a kevert polimer 30 percen belül teljesen átalakulhat, és körülbelül 97 tömeg% folyékony izoalkánokat állít elő.
Az eljárás valós{0}}hulladékra való alkalmazhatóságának bemutatására a csapat különféle utólagos-PVC-termékeket alakított át alkánokká szobahőmérsékleten és légköri nyomáson. Az eredmények azt mutatták, hogy a -használat utáni PVC-hulladék, beleértve a lágy/kemény PVC-csöveket és PVC-huzalokat, hasonló reakciókészséget mutatott 30 fokon.
A gyakorlati alkalmazásokban a vegyes műanyaghulladék különféle adalékokat és szennyeződéseket juttathat az ionos folyadékfázisba. Ezek befolyásolhatják a reakciósebességet, vagy felhalmozódhatnak a sűrűbb ionos folyadékrétegben, de a szerves fázis még két órán belül jelentős mennyiségű klór--mentes folyékony alkánt és gáz-halmazállapotú izobutánt képes létrehozni.
Amikor a használat utáni PVC-hulladékot merev, nagy-sűrűségű polietilén palackanyaggal-keverték, 80 fokon közel-mennyiségi szilárd konverziót értek el, fő termékként izobutánnal. Bár karbokationok jelenlétében az izopentán aránytalansága elkerülhetetlen, ez főleg a reakció korai szakaszában következik be.
A termék mintegy 40-66%-a gáz halmazállapotú izobután, amely az el nem reagált izopentánnal együtt újrahasznosítható alkilezési komponensként, hangsúlyozva a folyamat hatékonyságát és fenntarthatóságát.
Ez a technológia a vegyes műanyaghulladék tüzelőanyaggá történő átalakítása során a termékelosztás kulcskérdését kezeli, és nem érinti a műanyagkeverék szennyeződései vagy heterogenitása.
Ebben a reakciórendszerben a diklór-metán hígítja az ionos folyadékot, csökkentve a viszkozitást és a helyi tömegátadási ellenállást. Desztillációval teljesen visszanyerhető és újra felhasználható az összes könnyű termékkel együtt.
Összességében ez a munka egy átalakító és méretezhető egylépéses folyamatot kínál a vegyes PVC és poliolefin hulladékok újrahasznosításához. Az energiafogyasztás csökkentésével, a felszerelési igények csökkentésével és a közbenső lépések kiiktatásával jelentősen javítja a hatékonyságot és a költséghatékonyságot, miközben csökkenti a környezetterhelést.
Ezen túlmenően ez az egy{0}}lépéses módszer a különféle műanyaghulladékokat jobb minőségű,-értékű termékekké alakítja át, lefektetve az ipari-léptékű alkalmazások alapjait.
Amint már említettük, Zhang Wei a cikk első szerzője, Johannes Lercher pedig, az egyik levelező szerző, a posztdoktori tanácsadója pedig az Egyesült Államokban. Külföldi tartózkodása alatt Zhang projekteket vezetett az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma által finanszírozott hulladék műanyagok lebontásával és a szén-dioxid-hidrogénezéssel, több-szénforrású megoldások szén-alkohol-újrahasznosítására a Chevronis által szponzorált tüzelőanyag-szintézisben. ipari katalízis.
Jelenleg a Kelet-Kínai Normál Egyetem kutatócsoportját vezeti, Zhang négy fő területre összpontosít:
Hulladék szénforrások (műanyagok/biomassza) valorizálása termikus, fotonikus, elektrokémiai és katalitikus kapcsolási technológiákon keresztül.
Nehéz paraffin szénhidrogének katalitikus krakkolása és könnyű alkánok alkilezése a standard benzingyártás megújítása érdekében.
C1 molekulák (CO2/CO) katalitikus átalakítása nagy-sűrűségű energiahordozókká.
Katalitikus reakciók és rendszerek fejlesztése hidrogénforrásként és közegként vizet használva.
Az egyetem szerint Zhang a petrolkémiai cégekkel folytatott kísérleti együttműködések révén tovább fogja támogatni a zöld katalitikus technológia iparosítását. A mesterséges intelligencia segítségével hatékonyabb katalitikus rendszereket is kifejleszthet, felvilágosítja a műanyag átalakítás atomi-szintű mechanizmusait, és lehetővé teszi az innovációt a laboratóriumtól az iparig.