Plastic afval omzetten in bruikbare producten door middel van chemische recycling is een strategie om het groeiende probleem van plasticvervuiling op aarde aan te pakken. Een nieuwe studie kan het vermogen van één methode, pyrolyse genaamd, verbeteren om moeilijk te recyclen gemengde kunststoffen, zoals meerlagige voedselverpakkingen, te verwerken en brandstof als bijproduct te genereren, aldus de wetenschappers.

Bij pyrolyse wordt plastic verwarmd in een zuurstofvrije omgeving, waardoor de materialen afbreken en nieuwe vloeibare of gasvormige brandstoffen ontstaan. De huidige commerciële toepassingen werken echter ofwel onder de noodzakelijke schaal of kunnen alleen bepaalde soorten kunststoffen aan, aldus de wetenschappers.

"We hebben een zeer beperkt begrip van pyrolyse met gemengde kunststof", zegt Hilal Ezgi Toraman, assistent-professor energietechnologie en chemische technologie aan Penn State. "Het begrijpen van de interactie-effecten tussen verschillende polymeren tijdens geavanceerde recycling is erg belangrijk terwijl we proberen technologieën te ontwikkelen die echt afvalplastic kunnen recyclen."

De wetenschappers voerden co-pyrolyse uit van twee van de meest voorkomende soorten plastic, lagedichtheidspolyethyleen (LDPE) en polyethyleentereftalaat (PET), samen met verschillende katalysatoren om de interactie-effecten tussen de kunststoffen te bestuderen. Ze ontdekten dat één katalysator een goede kandidaat kan zijn om gemengd LDPE- en PET-afval om te zetten in waardevolle vloeibare brandstoffen. Katalysatoren zijn materialen die aan pyrolyse worden toegevoegd en die het proces kunnen ondersteunen, zoals het selectief en bij lagere temperaturen afbreken van het plastic.

"Dit soort werk kan ons in staat stellen richtlijnen of suggesties aan de industrie te geven", zegt Toraman, de Virginia S. en Philip L. Walker Jr. Faculty Fellow in de John and Willie Leone Family Department of Energy and Mineral Engineering bij Penn. Staat. "Het is belangrijk om te ontdekken wat voor soort synergieën er zijn tussen deze materialen tijdens geavanceerde recycling en voor welke soorten toepassingen ze geschikt kunnen zijn voordat we gaan opschalen."

De kunststoffen, LDPE en PET, worden vaak aangetroffen in voedselverpakkingen, die vaak bestaan ​​uit lagen van verschillende plastic materialen die zijn ontworpen om producten vers en veilig te houden, maar zijn ook moeilijk te recyclen met traditionele processen omdat de lagen moeten worden gescheiden, wat een duur proces is.

"Als je ze wilt recyclen, moet je die lagen in feite scheiden en misschien iets doen met de enkele stromen," zei Toraman. "Maar pyrolyse kan het aan, dus het is een zeer belangrijke optie. Het is niet eenvoudig om zo'n techniek te vinden die de rommelige complexiteit van deze verschillende plastic materialen kan accepteren."

De eerste stap naar de ontwikkeling van nieuwe commerciële pyrolyseprocessen hangt af van het hebben van een beter mechanistisch begrip van hoe dynamische mengsels van plastic afval uiteenvallen en op elkaar inwerken, aldus de wetenschappers.

De wetenschappers voerden pyrolyse uit op LDPE en PET afzonderlijk en samen en observeerden interactie-effecten tussen de twee polymeren tijdens tests met elk van de drie katalysatoren die ze gebruikten. De wetenschappers rapporteerden de bevindingen in het tijdschrift Reaction Chemistry &Engineering .

"We hebben producten gezien die zeer goede kandidaten kunnen zijn voor benzinetoepassingen," zei Toraman.

Het team ontwikkelde ook een kinetisch model dat in staat was om nauwkeurig de interactie-effecten te modelleren die werden waargenomen tijdens co-pyrolyse van LDPE en PET met elk van de katalysatoren. Kinetische modellen proberen het gedrag van een systeem te voorspellen en zijn belangrijk om beter te begrijpen waarom reacties plaatsvinden.

De onderzoeksgroep van Toraman richt zich op het doen van experimenten onder goed gedefinieerde en goed gecontroleerde omstandigheden om interactie-effecten tijdens geavanceerde recycling van gemengde kunststoffen en de bijbehorende reactiemechanismen te begrijpen.

"Systematische en fundamentele studies over het begrijpen van reactiepaden en het ontwikkelen van kinetische modellen zijn de eerste stappen in de richting van procesoptimalisatie," zei Toraman. "Als we onze kinetische modellen niet goed hebben, onze reactiemechanismen niet nauwkeurig, en als we opschalen voor proeffabrieken of grootschalige operaties, zullen de resultaten niet nauwkeurig zijn."

Toraman zei dat ze hoopt dat het onderzoek leidt tot een betere verantwoordelijkheid voor het milieu bij het herstel, de verwerking en het gebruik van aardse hulpbronnen.

Uit een wereldwijde analyse van alle in massa geproduceerde kunststoffen blijkt dat er tot op heden wereldwijd naar schatting in totaal 8,3 miljard ton nieuwe kunststoffen worden gegenereerd. Vanaf 2015 is 79% van het plastic afval, dat tal van gevaarlijke chemicaliën bevat, achtergelaten om zich op te hopen op stortplaatsen of in natuurlijke omgevingen, waarbij ongeveer 12% wordt verbrand en slechts 9% wordt gerecycled.

"Wat we ook doen, is beter dan niets doen", zei Toraman. "We moeten die plastics weer in de economie opnemen, om een ​​circulaire economie te hebben, anders belanden ze gewoon op stortplaatsen, waardoor potentieel giftige stoffen in de bodem en het water terechtkomen of de oceanen vervuilen. Dus iets doen, een waarde vinden, is beter dan niets. Kunststoffen worden momenteel als afval beschouwd omdat we deze waardevolle hulpbronnen als afval behandelen."

Other Penn State researchers on this project were Sean Timothy Okonsky, doctoral student in the Department of Chemical Engineering, and J.V. Jayarama Krishna, postdoctoral researcher in the John and Willie Leone Family Department of Energy and Mineral Engineering. + Verder verkennen

How we can turn plastic waste into green energy