6 Minuten
Paprastas metalas sprendžia sudėtingą perdirbimo problemą
Šiaurės vakarų universiteto (Northwestern University) chemikų komanda sukūrė nebrangų nikeliu pagrįstą katalizatorių, kuris gali padaryti mišraus plastiko perdirbimą žymiai praktiškesnį. Naujas katalizatorius selektyviai paverčia poliolefininius plastikatus — daugiausia polietilenus ir polipropilenus, kurie dominuoja vienkartinėje pakuotėje — į skystus angliavandenilius, tokius kaip alyvos ir vaškai. Šie produktai gali būti toliau perdirbami į tepalus, kurą ir kitas didesnės vertės medžiagas, potencialiai panaikinant darbo imlų rūšiavimą ir mažinant sąvartynų apkrovą.
Nikelio pagrindu sukurtas katalizatorius galėtų iš esmės pakeisti perdirbimą, paversdamas kasdienius vienkartinius plastikatus naudingais produktais—be varginančio rūšiavimo. Šaltinis: Shutterstock
Mokslinis kontekstas ir motyvacija
Poliolefinai yra plačiausiai gaminami plastikai pasaulyje, randami pieno buteliuose, paspaudžiamose tūtelėse, maistinėje plėvelėje, šiukšlių maišuose ir daugelyje vienkartinių gaminių. Pramoninė gamyba viršija 200 milijonų tonų per metus, tačiau šių medžiagų perdirbimo rodikliai išlieka žemi — dažnai mažesni nei 10 % pasauliniu mastu — nes jų anglies–anglies pagrindas yra cheminė tvirtas ir sunkiai skaidomas. Dabartinis mechaninis perdirbimas paprastai reikalauja kruopštaus rūšiavimo ir duoda downcycled, mažesnės kokybės granules. Terminiai procesai, tokie kaip pirolizė ar dujinimas, veikia, bet reikalauja aukštos temperatūros (400–700 °C) ir yra energijai imlūs.
Norėdami įveikti šias ribas, Northwestern grupė kreipėsi į hidrogenolizę — katalizinį procesą, kuriame vandenilis padeda skaidyti anglies–anglies ryšius, gaminant mažesnes angliavandenilių molekules. Esami hidrogenolizės metodai dažnai remiasi retųjų metalų katalizatoriais (platina, paladis) ir aukštais darbo parametrais, dėl kurių mastelio didinimas brangus ir neatsparus. Northwestern komanda vietoj to sukūrė vienvietį organo-nikelio katalizatorių, pagamintą iš komerciškai prieinamų nikelių junginių — žemės gausios ir pigi alternatyva.
Kaip vienvietis nikeliu katalizatorius skiriasi
Skirtingai nuo nanoparticulių katalizatorių, kuriuose yra daug netiksliai apibrėžtų aktyvių centrų, vienvietis dizainas suteikia gerai apibrėžtą katalizinį centrą, panašų į precizinį skalpelį. Toks struktūrinis valdymas leidžia selektyvią hidrogenolizę: katalizatorius pirmenybę teikia tam tikrų anglies–anglies ryšių skaidymui šakotuose poliolefinuose (pavyzdžiui, izotaktiniame polipropilene), tuo tarpu tiesioginės grandinės išlieka daugiausia nepažeistos. Ši selektyvi chemija pasiekia cheminių atskyrimą mišrių atliekų srautuose, sumažindama rankinio prieskyrimo poreikį ir mažindama energijos sąnaudas, palyginti su esamais metodais.
Eksperimentų detalės ir našumo rodikliai
Laboratoriniuose eksperimentuose organo-nikelio katalizatorius veikė maždaug 100 °C žemesnėje temperatūroje ir maždaug pusei mažesniame vandenilio slėgyje nei pranešta apie panašias nikeliu pagrįstas sistemas. Tyrėjai praneša, kad naudojo dešimteriopai mažiau katalizatoriaus krovinio ir gavo maždaug dešimtkart didesnį aktyvumą. Procesas paverčia kietąsias poliolefinų žaliavas į skystas alyvas ir vašku, kurias galima frakcijuoti ir tobulinti.
Katalizatorius taip pat demonstruoja išskirtinį terminį ir cheminį stabilumą. Įprastinė kliūtis mišriam plastikų apdorojimui yra polivinilchlorido (PVC) kontaminacija, kuri suyra ir išskiria vandenilio chloridą (HCl) bei kitas korozines medžiagas, inaktyvinančias daugelį katalizatorių. Nustebinančiai Northwestern katalizatorius ne tik toleravo PVC kontaminaciją, bet eksperimentuose, kuriuose PVC sudarė iki 25 % atliekų masės, veikė net aktyviau. Komanda taip pat parodė paprastą katalizatoriaus regeneraciją naudojant pigią alkilaliuminio procedūrą, leidžiančią pakartotinį panaudojimą.
Kodėl PVC tolerancija yra svarbi
PVC kontaminacija yra viena iš pagrindinių atmetimo priežasčių perdirbime. Net mažos PVC pėdsakai kitu atveju perdirbamoje apkrovoje gali sukelti korozinius šalutinius produktus terminio perdirbimo metu ir priversti visą partiją siųsti į sąvartyną. Katalizatorius, veikiantis efektyviai PVC buvime, galėtų atverti galimybes apdoroti mišrius miesto plastiko atliekų srautus, kurie šiuo metu yra neekonomiški arba laikomi neperdirbamais.
Pagrindiniai atradimai ir pasekmės
- Selektyvi hidrogenolizė su vienviečiu organo-nikelio katalizatoriumi leidžia cheminį mišrių poliolefinų atliekų pakėlimą be kruopštaus rūšiavimo.
- Katalizatorius veikia švelnesnėmis sąlygomis nei daugelis alternatyvų: žemesnė temperatūra, mažesnis H2 slėgis, mažesnis katalizatoriaus kiekis ir didesnis aktyvumas.
- Jis paverčia žemos vertės kietas poliolefinines atliekas į skystas alyvas ir vaškus, kuriuos galima rafinuoti į didesnės vertės chemikalus ir kurą, sukuriant naujas pajamų srautus iš atliekų.
- Nenumatytas katalizinio aktyvumo pagreitis PVC buvime rodo tvirtą veikimą net užteršiose žaliavose, sprendžiant didelę logistinę ir ekonominę kliūtį didelio masto perdirbimui.
Tyrėjai šiuos rezultatus paskelbė žurnale Nature Chemistry (2025 m. rugsėjo 2 d.). Darbui vadovavo Tobin Marks ir Yosi Kratish iš Northwestern, pirmasis autorius — Qingheng Lai, o tarp bendradarbių buvo Purdue universiteto ir Ames nacionalinės laboratorijos atstovai. Finansavimas gautas iš JAV Energetikos departamento ir The Dow Chemical Company.
Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos
Šis nikeliu pagrįstas požiūris papildo kitas cheminio perdirbimo strategijas — hidrokrakavimą, pirolizę ir katalizinę depolimerizaciją — siūlydamas pigesnį, mažiau energijos reikalaujantį kelią, specialiai pritaikytą poliolefinams. Procesą pritaikyti pramoniniam mastui reikės pilotinių demonstracijų, kad būtų patikrintas katalizatoriaus tarnavimo laikas, produktų atskyrimo logistika, vandenilio tiekimas ir viso ciklo šiltnamio efektą sukeliančių dujų poveikis. Integracija su esama perdirbimo infrastruktūra arba naftos perdirbimo / tobulinimo įmonėmis galėtų paspartinti diegimą. Be to, procesą derinant su „žaliuoju“ vandeniliu, būtų galima pagerinti pagamintų kurų ir cheminių medžiagų klimato profilį.
Ekspertų įžvalga
Dr. Elena Ruiz, medžiagų chemikė ir perdirbimo technologė (fiktyvus komentaras), pažymi: 'Pagrindinis proveržis čia yra preciziškumas: vienvietis katalizatorius, sureguliuotas taip, kad selektyviai pjaustytų poliolefinų grandines. Tai leidžia chemikams paversti netvarkingas, mišrias atliekas į srautus, kuriuos cheminiai inžinieriai gali rafinuoti. PVC tolerancija yra ypač svarbi — ji pašalina dažnai pasitaikančią butelio kaklelį miesto ir pramoniniams žaliavoms. Jei pilotiniai bandymai patvirtins ilgaamžiškumą ir ekonomiką, tai gali būti permainų priežastis plastiko žiedinės ekonomikos srityje.'
Išvados
Northwestern nikelio katalizatorius įrodo, kad žemės gausūs metalai, tinkamai suprojektuoti molekuliniame lygyje, gali užtikrinti selektyvų, energiją taupantį cheminių atliekų perdirbimą dažniausiai naudojamų vienkartinių plastikų. Paverčiant mišrias poliolefinų atliekas į vertingas alyvas ir vaškus ir toleruojant tokius teršalus kaip PVC, šis požiūris gali sumažinti rūšiavimo kaštus, sumažinti sąvartynų kiekį ir sukurti naujas pajamas iš atliekų srautų. Tolimesni žingsniai apima mastelio demonstracijas, viso ciklo vertinimus ir integracijos planavimą, siekiant patikrinti ekonominį gyvybingumą ir aplinkosaugines naudas komerciniu mastu. Šis atradimas žymi svarbų žingsnį link praktiško, didelio masto mišrios plastiko perdirbimo ir žiedinės medžiagų strategijų.
Quelle: sciencedaily
Kommentare