Toen we ongeveer 70 jaar geleden plastic begonnen te gebruiken, er werd niet veel nagedacht over de implicaties van hun levensduur en het feit dat het eeuwen kan duren om te ontbinden. Bijgevolg, aangezien kunststoffen zijn gediversifieerd en gemakkelijker te vervaardigen zijn geworden, de planeet verspreidt zich nu over zo'n 8,3 miljard ton van het spul - bijna elk stukje plastic dat ooit is geproduceerd - zonder voldoende technologie of prikkels om die groeiende stapel te verkleinen. Plastic is goedkoper en gemakkelijker te produceren en weg te gooien dan te recyclen.

UC Santa Barbara-onderzoekers Susannah Scott en Mahdi Abu-Omar staan ​​klaar om dit decennia-oude paradigma te veranderen. Hoe? Met een eenpot, katalytische methode bij lage temperatuur die polyethyleen upcycled - een polymeer dat wordt aangetroffen in ongeveer een derde van alle geproduceerde kunststoffen, met een wereldwijde waarde van ongeveer $ 200 miljard per jaar - in hoogwaardige alkylaromatische moleculen die de basis vormen van veel industriële chemicaliën en consumentenproducten. Door waarde toe te voegen aan wat anders afval zou worden, zou recycling van plastic afval aantrekkelijker en praktischer kunnen worden met een milieuvriendelijk resultaat.

"Hier is een mogelijke oplossing, " zei Schot, die nu met haar collega's hun onderzoek in het tijdschrift heeft gepubliceerd Wetenschap . Hun inspanning, ze zei, staat op een groeiende lijst van mogelijke maatregelen die genomen kunnen worden om de lineaire, verspillende economie in een duurzamere, cirkelvormige.

"Dit is een demonstratie van wat er kan worden gedaan, " ze zei.

Een tweede leven voor afvalplastic

Het valt niet te ontkennen dat het moderne bestaan ​​veel te danken heeft aan plastic, van de verpakking die voedsel vers houdt, aan de steriele materialen die worden gebruikt in medische toepassingen, naar de goedkope, lichtgewicht onderdelen die in veel van onze betaalbare, duurzame goederen.

"Er zijn veel positieve dingen over kunststoffen die we in het oog moeten houden, " zei Schot, een professor in de chemie en chemische technologie aan de UC Santa Barbara, die de UCSB Mellichamp-leerstoel voor duurzame katalytische verwerking bekleedt. "Tegelijkertijd, we realiseren ons dat er een echt ernstig probleem is aan het einde van de levensduur, dat een onbedoeld gevolg is."

De eigenschap die kunststoffen zo nuttig maakt, is ook wat ze zo hardnekkig maakt, legden de onderzoekers uit. Het is hun chemische inertie - ze reageren over het algemeen niet op andere componenten van hun omgeving. Kunststof leidingen roesten niet en lekken niet uit in de waterleiding, plastic flessen kunnen bijtende chemicaliën bevatten, kunststof coatings zijn bestand tegen hoge temperaturen.

"Je kunt een van deze pijpen in de grond stoppen en honderd jaar later kun je het opgraven en het is precies dezelfde pijp en het houdt je water volkomen veilig, ' zei Schot.

Maar deze kwaliteit van inertie zorgt er ook voor dat kunststoffen zeer langzaam op natuurlijke wijze worden afgebroken en zeer energie-intensief om dit kunstmatig te doen.

"Ze zijn gemaakt van koolstof-koolstof, en koolstof-waterstofbindingen, en ze zijn erg moeilijk chemisch te recyclen, " verklaarde collega-professor Chemische Technologie Abu-Omar, die gespecialiseerd is in energiekatalyse en de UCSB Mellichamp-leerstoel in groene chemie bekleedt. Hoewel er veel onderzoeksinspanningen zijn besteed aan het leren hoe plastics kunnen worden teruggebracht tot hun basiscomponenten voor duurzaamheidsdoeleinden, de energiekosten "heeft het veld lange tijd geplaagd, "Zeggen de onderzoekers. Zelfs het voordeel van het omzetten van deze bouwstenen in hoogwaardige moleculen is beperkt wanneer het goedkoper is om hetzelfde te doen uit gewonnen aardolie.

"Anderzijds, als we de polymeren direct zouden kunnen omzetten in deze hoogwaardige moleculen en de hoge energiestap om terug te gaan naar deze bouwsteenmoleculen volledig uit te schakelen, dan hebben we een hoogwaardig proces met een lage energievoetafdruk, ' zei Schot.

Die innovatieve manier van denken leidde tot een nieuwe tandem-katalytische methode die niet alleen hoogwaardige alkylaromatische moleculen rechtstreeks uit afvalpolyethyleenplastic creëert, het doet zo efficiënt, tegen lage kosten en met een lage energiebehoefte.

"We hebben de temperatuur van de transformatie met honderden graden verlaagd, " zei Scott. Conventionele methoden, volgens het papier, temperaturen tussen 500 en 1000°C nodig hebben om de polyolefineketens in kleine stukjes af te breken en ze weer in elkaar te zetten tot een gasmengsel, vloeistof en cola, terwijl de optimale temperatuur voor dit katalytische proces in de buurt van 300°C schommelt. De relatief milde reactieconditie helpt polymeren op een meer selectieve manier af te breken tot een meerderheid van grotere moleculen binnen een smeermiddelbereik, legden de onderzoekers uit. "En, we hebben het aantal stappen in het proces vereenvoudigd omdat we niet meerdere transformaties doen, ' zei Schot.

In aanvulling, het proces vereist geen oplosmiddel of toegevoegde waterstof, gewoon een platina op aluminiumoxide (Pt/Al2O3) katalysator voor een tandemreactie die beide die taaie koolstof-koolstofbindingen verbreekt, en herschikt het moleculaire "skelet" van het polymeer om structuren te vormen met die karakteristieke zeszijdige ringen - hoogwaardige alkylaromatische moleculen die wijdverbreid worden gebruikt in oplosmiddelen, verven, smeermiddelen, wasmiddelen, farmaceutische producten en vele andere industriële en consumentenproducten.

"Het vormen van aromatische moleculen uit kleine koolwaterstoffen is moeilijk, " voegde de hoofdauteur van de krant Fan Zhang toe. "Hier, tijdens de vorming van aromaten uit polyolefinen, waterstof wordt gevormd als bijproduct en verder gebruikt om de polymeerketens te snijden om het hele proces gunstig te maken. Als resultaat, we krijgen alkylaromaten met lange ketens, en dat is het fascinerende resultaat."

Deze methode vertegenwoordigt een nieuwe richting in de levenscyclus van kunststoffen, een waarin afvalpolymeren waardevolle grondstoffen kunnen worden in plaats van op stortplaatsen te belanden, of erger, in waterlopen en andere kwetsbare habitats.

"Dit is een voorbeeld van een tweede gebruik, waar we deze grondstoffen efficiënter en met een betere milieu-impact zouden kunnen maken dan ze uit aardolie te maken, " zei Abu-Omar. Er moet nog onderzoek worden gedaan om te zien waar en hoe deze technologie het meest effectief zou zijn, maar het is een strategie die kan helpen de ophoping van plastic afval te verminderen, hun waarde terug te verdienen en misschien onze afhankelijkheid van de aardolie waar plastic vandaan komt te verminderen.

"We graven een gat in de grond, we produceren, wij maken, we gebruiken, wij gooien weg, " zei Abu-Omar. "Dus in zekere zin, dit is echt het doorbreken van die manier van denken. Er is hier interessante wetenschap te doen die ons naar nieuwe ontdekkingen zal leiden, nieuwe paradigma's en nieuwe manieren om scheikunde te doen."