6 Minutės
Paprastas metalas sprendžia sudėtingą perdirbimo problemą
Northwestern universiteto chemikų komanda sukūrė nebrangų, nikelio pagrindu veikiantį katalizatorių, galintį žymiai palengvinti mišrių plastikų perdirbimą. Naujas katalizatorius selektyviai paverčia poliolefininius plastikatus — daugiausia polietileną ir polipropileną, kurie dominuoja vienkartinėje pakuotėje — į skystus angliavandenilius, tokius kaip aliejai ir vaškinės frakcijos. Šie produktai gali būti papildomai perdirbti į tepalus, kurą ir kitas aukštesnės vertės medžiagas, potencialiai eliminuodami darbo imlų išankstinį rūšiavimą ir mažinant sąvartynų užpildymą.
Naujas nikelio pagrindu veikiantis katalizatorius gali pakeisti perdirbimą, paversdamas kasdienius vienkartinius plastikatus naudingais produktais — be varginančio rūšiavimo. Credit: Shutterstock
Mokslinis fonas ir motyvacija
Poliolefinai yra plačiausiai gaminami plastikai pasaulyje: juos randame pieno buteliuose, spaudžiamuose indeliuose, plėvelėse, šiukšlių maišuose ir daugelyje vienkartinių gaminių. Pramoninė gamyba viršija 200 mln. tonų per metus, tačiau šių medžiagų perdirbimo rodikliai išlieka žemi — dažnai mažesni nei 10 % pasauliniu mastu — nes jų anglies-anglies pagrindas yra cheminiu požiūriu inertus ir sunkiai skaldomas. Dabartinis mechaninis perdirbimas dažnai reikalauja kruopštaus rūšiavimo ir duoda žemesnės kokybės perdirbtas granulės. Terminiai procesai, tokie kaip pirolizė ar gazifikacija, veikia, bet reikalauja aukštų temperatūrų (400–700 °C) ir daug energijos.
Norėdami įveikti šiuos apribojimus, Northwestern tyrėjai pasirinko hidrogenolizę — katalizinį procesą, kuriame vandenilis skaldydamas anglies-anglies jungtis suformuoja mažesnius angliavandenilius. Esami hidrogenolizės metodai dažnai remiasi retomis žemėmis arta metalais (platinumu, paladžiu) ir aukštomis darbinėmis sąlygomis, dėl ko mastelio didinimas yra brangus ir nepalankus. Northwestern komanda sukūrė vienavietį organo-nikelio katalizatorių iš komerciniu keliu prieinamų nikelio junginių — Žemėje gausiai paplitusią ir mažai kainuojančią alternatyvą.
Kaip skiriasi vienavietis nikelio katalizatorius
Skirtingai nei nanodalelių katalizatoriai, kuriuose yra daug blogai apibrėžtų aktyvių centrų, vienavietis dizainas suteikia gerai apibrėžtą katalizinį centrą, panašų į precizinį skalpelį. Toks struktūrinis valdymas leidžia selektyvią hidrogenolizę: katalizatorius pirmenybę teikia tam tikrų anglies-anglies ryšių skilimui šakotose poliolefinuose (pvz., izotaktiniame polipropilene), tuo tarpu nešakotos grandinės lieka didesne dalimi nepažeistos. Ši selektyvi chemija sukuria tam tikrą cheminį atskyrimą mišriame atliekų sraute, sumažindama rankinio išankstinio rūšiavimo poreikį ir sumažindama energijos sąnaudas, palyginti su esamais metodais.
Eksperimento detalės ir veikimo rodikliai
Laboratoriniuose bandymuose organo-nikelio katalizatorius veikė maždaug 100 °C žemesnėje temperatūroje ir maždaug per pusę mažesniu vandenilio slėgiu nei palyginamuose nikelio pagrindo sistemose nurodytos vertės. Tyrėjai praneša, kad naudojo maždaug dešimt kartų mažiau katalizatoriaus, gaudami maždaug dešimt kartų didesnę aktyvumą. Procesas paverčia kietus poliolefinų žaliavas į skystus aliejus ir vaškinės frakcijas, kurias galima frakcionuoti ir papildomai rafinuoti.
Katalizatorius taip pat demonstruoja išskirtinį terminį ir cheminį stabilumą. Tipinė kliūtis mišrių plastikų apdorojimui yra polivinilchlorido (PVC) užterštumas — PVC skaidosi išlaisvindamas vandenilio chloridą (HCl) ir kitas korozines medžiagas, kurios dezaktyvuoja daug katalizatorių. Stebėtinai Northwestern katalizatorius ne tik toleravo PVC užterštumą, bet ir parodė pagerėjusį aktyvumą eksperimentuose, kai PVC sudarė iki 25 % atliekų masės. Komanda taip pat parodė paprastą katalizatoriaus regeneraciją naudojant nebrangų alkilaliuminio gydymą, leidžiančią jį pakartotinai naudoti.
Kodėl PVC atsparumas yra svarbus
PVC užterštumas yra viena iš pagrindinių priežasčių, dėl kurių partijoms neleidžiama toliau perdirbti. Net ir mažas PVC kiekis potenciškai perdirbamame krovinyje gali išterminti korozines šalutines produktyves terminiu perdirbimu ir priversti visas partijas nukreipti į sąvartyną. Katalizatorius, veikiantis efektyviai PVC buvimo sąlygomis, galėtų atverti galimybes apdoroti mišrius savivaldybių plastikų srautus, kurie šiuo metu yra nepelningi arba pripažinti neperdirbamais.
Pagrindiniai atradimai ir pasekmės
- Selektinė hidrogenolizė su vienaviečiu organo-nikelio katalizatoriumi leidžia cheminį poliolefinų atliekų pakėlimą (upcycling) be kruopštaus rūšiavimo.
- Katalizatorius veikia švelnesnėmis sąlygomis nei dauguma alternatyvų: žemesnė temperatūra, mažesnis H2 slėgis, mažesnis katalizatoriaus kiekis ir didesnis aktyvumas.
- Jis paverčia žemos vertės, kietas poliolefinų atliekas į skystus aliejus ir vaškus, kuriuos galima rafinuoti į aukštesnės vertės chemikalus ir kurą, taip sukuriant naujas vertės grandines iš atliekų.
- Netikėtas katalitinio aktyvumo pagreitinimas PVC buvimo sąlygomis rodo patikimą veikimą net su užterštomis žaliavomis, sprendžiant esminę 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 su pirmuoju autoriumi Qingheng Lai, bendradarbiauta su Purdue universiteto ir Ames nacionalinės laboratorijos mokslininkais. Finansavimas gautas iš JAV Energetikos departamento ir The Dow Chemical Company.
Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos
Šis nikelio pagrindu paremtas požiūris papildo kitas cheminio perdirbimo strategijas — hidrokrakinimą, pirolizę ir katalizinį depolimerizavimą — siūlydamas mažesnės kainos ir energijos reikalaujančią trajektoriją, specialiai pritaikytą poliolefinams. Procesui pritaikyti pramoniniam mastui reikės pilotinių demonstracijų, kurios patvirtintų katalizatoriaus tarnavimo laiką, produktų atskyrimo logistiką, vandenilio tiekimą ir viso ciklo šiltnamio efektą sukeliančių dujų poveikį. Integracija su esama perdirbimo infrastruktūra arba rafinerijų ir upgrader’ių įrenginiais gali paspartinti diegimą. Be to, proceso susiejimas su žaliuoju vandeniliu gali pagerinti pagamintų kurų ir cheminių medžiagų klimato profilį.
Eksperto įžvalga
Dr. Elena Ruiz, medžiagų chemikė ir perdirbimo technologė (fiktyvus komentaras), pažymi: 'Svarbiausias šio darbo pasiekimas yra preciziškumas: vienavietis katalizatorius, pritaikytas selektyviai skaldyti poliolefinų grandines. Tai leidžia chemikams paversti netvarkingas, mišrias atliekas į srautus, kuriuos cheminių inžinierių komandos gali rafinuoti. PVC atsparumas ypač svarbus — tai pašalina dažną buteliuką savivaldybių ir pramoninių žaliavų apdorojime. Jei pilotiniai bandymai patvirtins ilgaamžiškumą ir ekonomiką, tai gali pakeisti žaidimo taisykles uždarosios grandinės plastikams plėtotei.'
Išvados
Northwestern nikelio katalizatorius parodo, kad Žemėje gausiai paplitę metalai, tiksliai suprojektuoti molekuliniu lygiu, gali suteikti selektyvų, energiją taupantį cheminių perdirbimo sprendimą dažniausiai naudojamiems vienkartiniams plastikams. Paversdama mišrias poliolefinų atliekas vertingais aliejais ir vaškais ir toleruodama užterštumus, tokius kaip PVC, ši metodika gali sumažinti rūšiavimo išlaidas, sumažinti sąvartynų kiekį ir sukurti naujas pajamas iš atliekų srautų. Tolimesni žingsniai apima mastelio didinimo demonstracijas, gyvavimo ciklo vertinimus ir integracijos planavimą, siekiant išbandyti ekonominį tinkamumą ir aplinkosaugos naudą komerciniu mastu. Inovacija žymi svarbų žingsnį link praktiško, didelio masto mišrių plastikų perdirbimo ir uždarosios medžiagų grandinės strategijų.
Šaltinis: sciencedaily
Komentarai