Atık Plastiği Yakıta Dönüştürmek: Bilim Adamları Oda-Sıcaklığında Katalitik Dönüşüm Teknolojisi Geliştirerek Küresel Klorlu Plastik Geri Dönüşüm Sorununu Çözüyor
Zhang Wei, 2023 yılında yurt dışında yaptığı doktora sonrası araştırması sırasında-ilk makalesiniBilimPlastiğin sıvı yakıta dönüştürülmesi üzerine. İki yıl sonra, 2025'te, şu anda mezun olduğu Doğu Çin Normal Üniversitesi'nde araştırmacı olarak, başka bir ilk-yazarlı makaleyi (aynı zamanda ortak-sorumlu yazar olarak) yayınladı.Bilim. Bu kez kendisi ve Çin'den ve yurt dışından işbirlikçileri plastiği başarılı bir şekilde benzine dönüştürdüler ve-karışık plastik atıkları-zor{-parçalaması zor olan- atığı tek bir adımda yüksek-kaliteli benzine dönüştürdüler.
30 derecede, teknoloji yumuşak polivinil klorür (PVC) borular için %95, sert PVC borular ve PVC teller için ise %99 dönüşüm oranına ulaşır. Bu, zehirli plastik atıkların, oda sıcaklığında ve atmosferik basınçta gerçekleştirilen düşük-enerjili bir işlemle yakıta dönüştürülmesini sağlayarak enerji tüketimini %70'in üzerinde azaltır.
Makalenin ortak yazarlarından ve hem ABD Ulusal Mühendislik Akademisi hem de Avrupa Bilimler Akademisi üyesi olan Johannes Lercher şunu belirtti: "Bu teknoloji, plastik atıklar için polimer zincirlerini oda sıcaklığında benzin-boyutlu moleküller halinde kesebilen bir 'kimyasal makas' bulmaya benzer. Küresel döngüsel ekonomi için çok önemli bir destek sağlar."
Plastiği yakıta dönüştürmenin geleneksel yöntemleriyle karşılaştırıldığında bu yeni yaklaşım, daha az enerji, daha az cihaz ve adım gerektirir ve büyük-ölçekli endüstriyel uygulamalar için uygundur. Ortaya çıkan ürünler, su arıtma, metal işleme, ilaç, gıda üretimi ve petrol endüstrisinde kullanılabilen benzinin, kimyasal hammaddelerin ve hidroklorik asidin temel bileşenlerini içerir.
Çeşitli plastik atık türlerini tek adımda değerli ürünlere dönüştüren bu yöntem, yeşil ekonominin gelişmesine destek oluyor.
Araştırmada Zhang ve ekibi, plastik atıkları, petrol rafinerisinin bir yan ürünü olan hafif izoalkan hidrokarbonlarla karıştırıp-benzin- aralığındaki hidrokarbonları, özellikle de benzinin ana bileşenleri olan 6 ila 12 karbon atomlu molekülleri üretti. Geri kazanılan hidroklorik asit güvenli bir şekilde nötralize edilebilir ve bir hammadde olarak yeniden kullanılabilir; potansiyel olarak şu anda sahada kullanılan yüksek-sıcaklık, enerji-yoğun üretim yöntemlerinin yerini alabilir.
Poliolefinler küresel plastik üretiminin yaklaşık %50'sini oluştururken, klorlu bir türev olan PVC de %10'unu oluşturuyor. PVC,-evdeki su borularından ve pencerelerden suni deri çantalara, döşemelere, banka kartlarına ve kablo izolasyonuna kadar her yerde bulunur.
Yüksek klor içeriğine (ağırlıkça yaklaşık %57) sahip olan PVC, diğer polimerlerle karşılaştırıldığında atıldığında daha ciddi çevresel zorluklara neden olur. Yakma gibi geleneksel yöntemler, dioksinler ve poliklorlu bifeniller gibi toksik klorlu bileşiklerin salınmasını önlemek için tam klorsuzlaştırma gerektirir.
Buna yanıt olarak, Avrupa ve ABD'deki düzenleyici kurumlar 2023'te PVC{2}} ile ilgili maddeleri incelemeye başladı ve bu, PVC'nin çevre üzerindeki etkilerinin ele alınmasının aciliyetinin altını çizdi.
Tipik olarak, plastiği yüksek-saflıktaki bileşenlere ayıran kimyasal iyileştirme yolları, ayrı yüksek-sıcaklıkta klorsuzlaştırma adımları gerektirir. Zhang'ın stratejisi, atık PVC'yi tek adımda klor-serbest yakıt-aralığı hidrokarbonlara ve hidroklorik asite dönüştürüyor.
Bu işlem, PVC ve poliolefin karışımlarının tek adımda tam katalitik dönüşümünü mümkün kılarak, yalnızca poliolefinler için daha önce bildirilen dönüştürme teknolojilerinin etkinliğini önemli ölçüde artırır.
Araştırmacılar, PVC'nin bir karbokatyon kaynağı olarak hizmet edebileceğini, harici bir başlatıcıya olan ihtiyacı ortadan kaldırdığını ve genel reaksiyon hızını hızlandırdığını buldu. Örneğin, PVC'nin polietilene oranı 1:1 olduğunda, karışık polimer 30 dakika içinde tamamen dönüştürülebilir ve ağırlıkça yaklaşık %97 sıvı izoalkan üretilebilir.
Sürecin gerçek-dünya atıklarına uygulanabilirliğini göstermek için ekip, çeşitli-sonrası PVC ürünlerini oda sıcaklığında ve atmosferik basınçta alkanlara dönüştürdü. Sonuçlar, yumuşak/sert PVC borular ve PVC teller dahil olmak üzere kullanım sonrası PVC atıklarının 30 derecede benzer reaktivite sergilediğini gösterdi.
Pratik uygulamalarda, karışık plastik atıklar iyonik sıvı fazına çeşitli katkı maddeleri ve safsızlıklar katabilir. Bunlar reaksiyon hızlarını etkileyebilir veya daha yoğun iyonik sıvı tabakasında birikebilir, ancak organik faz yine de iki saat içinde önemli miktarlarda klor-serbest sıvı alkanlar ve gaz halindeki izobütan üretebilir.
Kullanım sonrası PVC atığı, sert, yüksek-yoğunluklu polietilen şişe malzemesiyle karıştırıldığında, ana ürün olarak izobütan kullanılarak 80 derecede neredeyse niceliksel katı dönüşüm elde edildi. Karbokatyonların varlığında izopentanın orantısızlığı kaçınılmaz olmasına rağmen, esas olarak reaksiyonun erken aşamalarında meydana gelir.
Ürünün yaklaşık %40-66'sı gaz halindeki izobütandır ve alkilasyon bileşenleri olarak reaksiyona girmemiş izopentan ile birlikte geri dönüştürülebilir, bu da sürecin verimliliğini ve sürdürülebilirliğini vurgular.
Bu teknoloji, karışık plastik atıkların yakıta dönüştürülmesindeki temel ürün dağıtımı sorununu ele alıyor ve plastik karışımdaki yabancı maddelerden veya heterojenlikten etkilenmeden kalıyor.
Bu reaksiyon sisteminde diklorometan iyonik sıvıyı seyrelterek viskoziteyi ve yerel kütle transfer direncini azaltır. Ayrıca damıtma yoluyla tüm hafif ürünlerle birlikte tamamen geri kazanılabilir ve yeniden kullanılabilir.
Genel olarak bu çalışma, karışık PVC ve poliolefin atıklarının ileri dönüşümü için dönüştürücü ve ölçeklenebilir tek-adımlı bir süreç sunuyor. Enerji tüketimini azaltarak, ekipman ihtiyaçlarını azaltarak ve ara adımları ortadan kaldırarak verimliliği ve maliyet etkinliğini- önemli ölçüde artırırken çevresel etkiyi de azaltır.
Ek olarak, bu tek-adımlı yöntem, çeşitli plastik atıkları-kaliteli, yüksek değerli ürünlere dönüştürerek endüstriyel-ölçekli uygulamaların temelini oluşturur.
Bahsedildiği gibi, makalenin ilk yazarı Zhang Wei'dir ve ortak yazarlardan biri olan Johannes Lercher, -ABD'de doktora sonrası danışmanıydı. Zhang, yurtdışında bulunduğu süre boyunca ABD Enerji Bakanlığı tarafından finanse edilen atık plastik parçalanması ve Chevron sponsorluğunda çoklu-karbonlu alkol yakıt sentezi için CO2 hidrojenasyonu ile ilgili projelere liderlik ederek endüstriyel katalizde verimli karbon kaynağı kullanımına yönelik önemli çözümlere katkıda bulundu.
Şu anda Doğu Çin Normal Üniversitesi'ndeki araştırma grubuna liderlik eden Zhang, dört ana alana odaklanıyor:
Atık karbon kaynaklarının (plastik/biyokütle) termal, fotonik, elektrokimyasal ve katalitik birleştirme teknolojileri yoluyla değerlendirilmesi.
Standart benzin üretiminde yenilik sağlamak için ağır parafin hidrokarbonların katalitik parçalanması ve hafif alkanların alkilasyonu.
C1 moleküllerinin (CO2/CO) yüksek-yoğunluklu enerji taşıyıcılarına katalitik dönüşümü.
Suyu hidrojen kaynağı ve ortamı olarak kullanan katalitik reaksiyonların ve sistemlerin geliştirilmesi.
Üniversiteye göre Zhang, petrokimya şirketleriyle pilot işbirlikleri yoluyla yeşil katalitik teknolojinin sanayileşmesini daha da teşvik edecek. Ayrıca daha verimli katalitik sistemler geliştirmek, plastik dönüşümün atom-düzeyindeki mekanizmalarını açıklamak ve laboratuvardan endüstriye uçtan uca{2}}uçtan uca inovasyonu mümkün kılmak için yapay zekadan da yararlanacak.