הפיכת פסולת פלסטיק לדלק: מדענים מפתחים טכנולוגיית המרה קטליטית לחדר-, פותרת את האתגר העולמי של מיחזור פלסטיק כלור
בשנת 2023, במהלך מחקר הפוסט-דוקטורט שלו בחו"ל, ג'אנג ווי פרסם מאמר- ראשון במַדָעעל פירוק פלסטיק לדלק נוזלי. שנתיים מאוחר יותר, ב-2025, כיום חוקר באוניברסיטת אלמא מאטר שלו במזרח סין הרגילה, הוא פרסם מאמר נוסף-מחבר ראשון (גם כמחבר-שותף) במַדָע. הפעם, הוא ושותפי הפעולה שלו מסין ומחו"ל הצליחו להמיר פלסטיק לבנזין-והפיכה קשה-לפי-פסולת פלסטיק מעורבת לבנזין באיכות גבוהה- בצעד אחד.
ב-30 מעלות, הטכנולוגיה משיגה שיעור המרה של 95% עבור צינורות פוליוויניל כלוריד רך (PVC) ו-99% עבור צינורות PVC קשיחים וחוטי PVC. זה מאפשר להפוך פסולת פלסטיק רעילה לדלק באמצעות תהליך-נמוך באנרגיה הנערך בטמפרטורת החדר ובלחץ אטמוספרי, ומפחית את צריכת האנרגיה ביותר מ-70%.
יוהנס לרכר, מחבר-שותף של המאמר וחבר באקדמיה הלאומית להנדסה של ארה"ב ובאקדמיה האירופית למדעים, ציין: "טכנולוגיה זו היא כמו מציאת 'מספריים כימיים' לפסולת פלסטיק, המסוגלת לחתוך שרשראות פולימר למולקולות בגודל בנזין- בטמפרטורת החדר. היא מספקת תמיכה חיונית לכלכלה הגלובלית."
בהשוואה לשיטות מסורתיות להמרת פלסטיק לדלק, גישה חדשה זו דורשת פחות אנרגיה, פחות התקנים ושלבים, והיא מתאימה ליישומים תעשייתיים-בקנה מידה גדול. המוצרים המתקבלים כוללים מרכיבי מפתח של בנזין, חומרי גלם כימיים וחומצה הידרוכלורית, שניתן להשתמש בהם בטיפול במים, עיבוד מתכות, תרופות, ייצור מזון ותעשיית הנפט.
על ידי הפיכת פסולת פלסטיק מסוגים שונים למוצרים יקרי ערך בשלב אחד, שיטה זו תומכת בפיתוח כלכלה ירוקה.
במחקר, ג'אנג וצוותו ערבבו פסולת פלסטיק עם פחמימנים מסוג איזו-אלקן קלים-תוצר לוואי של זיקוק נפט-כדי לייצר פחמימנים בטווח-בנזין, בעיקר מולקולות עם 6 עד 12 אטומי פחמן, המרכיבים העיקריים של בנזין. ניתן לנטרל בבטחה את החומצה הידרוכלורית המוחזרת ולעשות בה שימוש חוזר כחומר גלם, מה שעלול להחליף מספר נתיבי ייצור עתירי אנרגיה-גבוהים-באנרגיה- המשמשים כיום בשטח.
פוליאולפינים מהווים כ-50% מייצור הפלסטיק העולמי, בעוד שה-PVC, נגזרת כלורית, מהווה עוד 10%. PVC נמצא בכל מקום-מצינורות מים וחלונות בבית ועד תיקי עור מלאכותיים, ריצוף, כרטיסי בנק ובידוד תיל.
עם תכולת כלור גבוהה (כ-57% במשקל), PVC מציב אתגרים סביבתיים חמורים יותר כאשר מושלך בהשוואה לפולימרים אחרים. שיטות מסורתיות כמו שריפה דורשות דה-כלורין יסודי כדי למנוע שחרור של תרכובות כלור רעילות כגון דיוקסינים וביפנילים פולי-כלוריים.
בתגובה, סוכנויות רגולטוריות באירופה ובארה"ב החלו לסקור חומרים הקשורים ל--PVC בשנת 2023, והדגישו את הדחיפות בטיפול בהשפעה הסביבתית של PVC.
בדרך כלל, מסלולי שדרוג כימיים המפרקים פלסטיק לרכיבים בעלי טוהר- גבוהים דורשים שלבי דה-כלור נפרדים-בטמפרטורה גבוהה. האסטרטגיה של ג'אנג משדרגת פסולת PVC לפחמימנים בטווח -דלק ללא-כלור וחומצה הידרוכלורית בצעד אחד.
תהליך זה מאפשר המרה קטליטית מלאה של תערובות PVC ופוליאולפינים בשלב אחד, מה שמשפר משמעותית את האפקטיביות של טכנולוגיות המרה שדווחו בעבר לפוליאולפינים בלבד.
החוקרים מצאו כי PVC יכול לשמש מקור לפחמימות, לבטל את הצורך ביוזם חיצוני ולהאיץ את קצב התגובה הכולל. לדוגמה, כאשר היחס בין PVC לפוליאתילן הוא 1:1, ניתן להמיר את הפולימר המעורב במלואו תוך 30 דקות, וליצור כ-97% איזו-אלקנים נוזליים במשקל.
כדי להדגים את ישימות התהליך על פסולת-בעולם האמיתי, הצוות המיר מוצרי PVC שונים לאחר-שימוש לאלקנים בטמפרטורת החדר ובלחץ אטמוספרי. התוצאות הראו שפסולת PVC לאחר-שימוש, כולל צינורות PVC רך/קשה וחוטי PVC, הפגינו תגובתיות דומה ב-30 מעלות.
ביישומים מעשיים, פסולת פלסטיק מעורבת עשויה להכניס תוספים וזיהומים שונים לשלב הנוזל היוני. אלה עשויים להשפיע על קצבי התגובה או להצטבר בשכבת הנוזל היונית הצפופה יותר, אך השלב האורגני עדיין יכול ליצור כמויות משמעותיות של אלקנים נוזליים ללא כלור- ואיזובוטן גזי בתוך שעתיים.
כאשר פסולת PVC לאחר-שימוש מעורבב עם חומר קשיח של בקבוקי פוליאתילן-בצפיפות גבוהה, הושגה כמעט-המרה כמותית של מוצק ב-80 מעלות, עם איזובוטן כמוצר העיקרי. למרות שחוסר פרופורציה של איזופנטן הוא בלתי נמנע בנוכחות פחמימות, הוא מתרחש בעיקר בשלבים המוקדמים של התגובה.
כ-40-66% מהמוצר הוא איזובוטן גזי, אותו ניתן למחזר יחד עם איזופנטן שלא הגיב כמרכיבי אלקילציה, מה שמדגיש את יעילות התהליך וקיימותו.
טכנולוגיה זו מטפלת בסוגיית המפתח של הפצת מוצרים בהמרת פסולת פלסטיק מעורבת לדלק, והיא אינה מושפעת מזיהומים או הטרוגניות בתערובת הפלסטיק.
במערכת תגובה זו, דיכלורומתאן מדלל את הנוזל היוני, ומפחית את הצמיגות ואת ההתנגדות להעברת מסה מקומית. ניתן גם לשחזר לחלוטין ולעשות בו שימוש חוזר יחד עם כל המוצרים הקלים באמצעות זיקוק.
בסך הכל, עבודה זו מציעה תהליך טרנספורמטיבי וניתן להרחבה-שלב אחד למחזור פסולת PVC ופוליאולפינ מעורבת. על ידי הפחתת צריכת האנרגיה, הפחתת צרכי הציוד וביטול שלבי ביניים, היא משפרת משמעותית את היעילות והעלות-תיעילות תוך הפחתת ההשפעה הסביבתית.
בנוסף, שיטה זו של-שלב אחד ממירה פסולת פלסטיק שונות למוצרים-בעלי ערך רב עם איכות משופרת, ומניחה את הבסיס ליישומים-תעשייתיים בקנה מידה תעשייתי.
כאמור, ג'אנג ווי הוא המחבר הראשון של המאמר, ויוהנס לרכר, אחד הכותבים-השותפים, היה יועץ הפוסט-דוקטורט שלו בארה"ב במהלך שהותו בחו"ל, ג'אנג הוביל פרויקטים בנושא פירוק פסולת פלסטיק במימון משרד האנרגיה של ארה"ב ועל הידרוגנציית CO2 עבור שימוש רב- של אלכוהול פחמן, צריכת דלק חסות חסות פחמן. בקטליזה תעשייתית.
כעת מוביל את קבוצת המחקר שלו באוניברסיטת מזרח סין הרגילה, ג'אנג מתמקד בארבעה תחומים עיקריים:
מימוש משאבי פסולת פחמן (פלסטיק/ביומסה) באמצעות טכנולוגיות צימוד תרמיות, פוטוניות, אלקטרוכימיות וקטליטיות.
פיצוח קטליטי של פחמימנים פרפין כבדים ואלקילציה של אלקנים קלים לחידוש ייצור בנזין סטנדרטי.
המרה קטליטית של מולקולות C1 (CO2/CO) לנושאות אנרגיה בצפיפות גבוהה-.
פיתוח תגובות ומערכות קטליטיות תוך שימוש במים כמקור מימן וכמדיום.
לפי האוניברסיטה, ג'אנג יקדם עוד יותר את התיעוש של טכנולוגיה קטליטית ירוקה באמצעות שיתופי פעולה פיילוטים עם חברות פטרוכימיה. הוא גם ימנף בינה מלאכותית לפיתוח מערכות קטליטיות יעילות יותר, יבהיר את המנגנונים ברמה האטומית- של המרה פלסטית, ויאפשר חדשנות מקצה-ל-ממעבדה לתעשייה.