Den nye metode, der er beskrevet i 11. august-udgaven af tidsskriftet Science, kan øge de økonomiske incitamenter til plastgenanvendelse og åbne en dør til genanvendelse af nye plasttyper. Forskerne vurderer, at deres metoder også kan reducere drivhusgasemissionerne fra den konventionelle produktion af disse industrielle kemikalier med omkring 60 procent.
Den nye teknik er afhængig af et par eksisterende kemiske bearbejdningsteknikker. Den første er pyrolyse, hvor plastik opvarmes til høje temperaturer i et iltfrit miljø. Resultatet er pyrolyseolie, en flydende blanding af forskellige forbindelser. Pyrolyseolie indeholder store mængder olefiner -- en klasse af simple kulbrinter, der er en central byggesten i nutidens kemikalier og polymerer, herunder forskellige typer polyestere, overfladeaktive stoffer, alkoholer og carboxylsyrer.
I nuværende energikrævende processer som dampkrakning producerer kemiske producenter olefiner ved at udsætte olie for ekstremt høj varme og tryk. I denne nye proces genvinder UW-Madison-teamet olefiner fra pyrolyseolie og bruger dem i en meget mindre energikrævende kemisk proces kaldet homogen hydroformyleringskatalyse. Denne proces omdanner olefiner til aldehyder, som derefter kan reduceres yderligere til vigtige industrielle alkoholer.
"Disse produkter kan bruges til at lave en bred vifte af materialer, der er af højere værdi," siger George Huber, en professor i kemi og biologisk ingeniørvidenskab, der ledede arbejdet sammen med postdoc-forsker Houqian Li og ph.d.-studerende Jiayang Wu.
Disse materialer af højere værdi omfatter ingredienser, der bruges til at fremstille sæber og rengøringsmidler, samt andre mere nyttige polymerer.
"Vi er virkelig begejstrede for implikationerne af denne teknologi," siger Huber, som også leder det Department of Energy-finansierede Center for Chemical Upcycling of Waste Plastics. "Det er en platformsteknologi til at opgradere plastaffald ved hjælp af hydroformyleringskemi."
Genbrugsindustrien kunne snart vedtage processen; i de senere år har mindst 10 store kemivirksomheder bygget eller annonceret planer for anlæg til fremstilling af pyrolyseolier af plastaffald. Mange af dem kører pyrolyseolien gennem dampkrakkere for at fremstille forbindelser af lav værdi. Den nye kemiske genbrugsteknik kunne give en mere bæredygtig og lukrativ måde at bruge disse olier på.
"I øjeblikket har disse virksomheder ikke en rigtig god tilgang til at opgradere pyrolyseolien," siger Li. "I dette tilfælde kan vi få alkoholer af høj værdi til en værdi af 1.200 USD til 6 USD,000 pr. ton fra plastaffald, som kun er omkring 100 USD værd pr. ton. Derudover bruger denne proces eksisterende teknologi og teknikker. Det er relativt let at skalere op."
Undersøgelsen var et samarbejde på tværs af et par forskellige UW-Madison afdelinger, siger Huber. Clark Landis, formand for Institut for Kemi og en verdensekspert i hydroformylering, foreslog muligheden for at anvende teknikken til pyrolyseolier. Kemisk og biologisk teknik Professor Manos Mavarikakis brugte avanceret modellering til at give indsigt på molekylært niveau i de kemiske processer. Og kemi- og biologisk ingeniørprofessor Victor Zavala hjalp med at analysere økonomien i teknikken og plastikaffaldets livscyklus.
Det næste trin for teamet er at tune processen og bedre forstå, hvilke kemiske slutprodukter af genanvendt plast og katalysatorkombinationer.
"Der er så mange forskellige produkter og så mange ruter, vi kan følge med denne platformsteknologi," siger Huber. "Der er et enormt marked for de produkter, vi laver. Jeg tror, det virkelig kan ændre plastgenbrugsindustrien."
(ressource fra: University of Wisconsin-Madison. "Ny genbrugsproces kunne finde markeder for 'junk' plastaffald." ScienceDaily. ScienceDaily, 11. august 2023.
