Wetenschappers van de University of Illinois Urbana-Champaign, University of California, Santa Barbara en Dow hebben een baanbrekend proces ontwikkeld om het meest geproduceerde plastic - polyethyleen (PE) - om te zetten in het op een na meest geproduceerde plastic, polypropyleen (PP) , die de uitstoot van broeikasgassen (BKG) zouden kunnen verminderen.

"De wereld heeft meer en betere opties nodig om de energie en moleculaire waarde uit haar afvalplastic te halen", zegt co-lead auteur Susannah Scott, Distinguished Professor en Mellichamp Chair of Sustainable Catalytic Processing aan UC Santa Barbara. Conventionele recyclingmethoden voor plastic resulteren in plastic moleculen van lage waarde en bieden daarom weinig stimulans om de bergen plastic afval te recyclen die zich de afgelopen decennia hebben opgehoopt.

Maar, voegde Scott toe, "door polyethyleen om te zetten in propyleen, dat vervolgens kan worden gebruikt om een ​​nieuw polymeer te maken, beginnen we een circulaire economie voor kunststoffen op te bouwen."

"We begonnen met het conceptualiseren van deze benadering en hebben eerst de belofte ervan aangetoond door middel van theoretische modellering - nu hebben we bewezen dat het experimenteel kan worden gedaan op een manier die schaalbaar is en mogelijk toepasbaar is op de huidige eisen van de industrie", zegt mede-hoofdauteur Damien Guironnet, een hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering in Illinois, die in 2020 de eerste studie publiceerde die de noodzakelijke katalytische reacties schetste.

De nieuwe studie gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society kondigt een reeks gekoppelde katalytische reacties aan die PE, plastic nr. 2 en nr. 4, goed voor 29% van het wereldwijde plasticverbruik, omzetten in de bouwsteen propyleen, het belangrijkste ingrediënt voor de productie van PP, ook bekend als plastic nr. 5 dat is goed voor bijna 25% van het plasticverbruik in de wereld.

Deze studie stelt een proof-of-concept vast voor het upcyclen van PE-kunststof met meer dan 95% selectiviteit tot propyleen. De onderzoekers hebben een reactor gebouwd die een continue stroom propyleen creëert die gemakkelijk kan worden omgezet in PP met behulp van de huidige technologie, waardoor deze ontdekking schaalbaar en snel implementeerbaar is.

"Onze voorlopige analyse suggereert dat als slechts 20% van 's werelds PE via deze route zou kunnen worden teruggewonnen en omgezet, dit een potentiële besparing van broeikasgasemissies zou kunnen betekenen die vergelijkbaar is met het van de weg halen van 3 miljoen auto's", zegt Garrett Strong, een afgestudeerde student geassocieerd met het project.

Het doel is om elk zeer lang PE-molecuul vele malen te snijden om veel kleine stukjes te verkrijgen, de propyleenmoleculen. Ten eerste verwijdert een katalysator waterstof uit de PE, waardoor een reactieve locatie in de keten ontstaat. Vervolgens wordt de keten op deze plek in tweeën gesplitst met een tweede katalysator, die de uiteinden afdekt met ethyleen. Ten slotte verplaatst een derde katalysator de reactieve plaats langs de PE-keten zodat het proces kan worden herhaald. Uiteindelijk blijft er alleen een groot aantal propyleenmoleculen over.

"Denk eraan om een ​​stokbrood doormidden te snijden en vervolgens stukjes van precies de juiste grootte van het uiteinde van elke helft te snijden - waarbij de snelheid waarmee je snijdt de grootte van elke plak bepaalt," zei Guironnet.

"Nu we het proof of concept hebben vastgesteld, kunnen we beginnen met het verbeteren van de efficiëntie van het proces door katalysatoren te ontwerpen die sneller en productiever zijn, waardoor opschalen mogelijk is", aldus Scott. "Omdat ons eindproduct al compatibel is met de huidige industriële scheidingsprocessen, zullen betere katalysatoren het mogelijk maken om deze doorbraak snel te implementeren."

Het werk dat in deze publicatie wordt gepresenteerd, is in hoge mate complementair aan een paper gepubliceerd in Science vorige week. Beide groepen gebruikten nieuwe kunststoffen en soortgelijke chemicaliën. Het Science-team gebruikte echter een ander proces in een gesloten batchreactor, waarvoor een veel hogere druk nodig was - wat veel energie kost - en de noodzaak om meer ethyleen te recyclen.

"Als we een aanzienlijk deel van de meer dan 100 miljoen ton plastic afval die we elk jaar produceren willen upcyclen, hebben we oplossingen nodig die zeer schaalbaar zijn", aldus Guironnet. "Ons team demonstreerde de chemie in een stromingsreactor die we hebben ontwikkeld om zeer selectief en continu propyleen te produceren. Dit is een belangrijke stap vooruit om de enorme omvang van het probleem aan te pakken waarmee we worden geconfronteerd."

Ook Dow-onderzoekers waren bij dit werk betrokken. "Dow neemt een leidende rol in het stimuleren van een meer circulaire economie door te ontwerpen voor circulariteit, nieuwe bedrijfsmodellen voor circulaire materialen te bouwen en samen te werken om een ​​einde te maken aan plastic afval", zegt senior wetenschapper en co-auteur van Dow Ivan Konstantinov. "Als financier van dit project zetten we ons in om nieuwe manieren te vinden om plastic afval te elimineren en worden aangemoedigd door deze aanpak." + Verder verkennen

Proces zet polyethyleen zakken, plastics om in polymeer bouwstenen