Recykling chemiczny stanowi zrównoważoną alternatywę dla tradycyjnego recyklingu tworzyw sztucznych poprzez rozkład tworzyw sztucznych na produkty wysokiej jakości. Naukowcy zoptymalizowali ten proces za pomocą nowego wzoru matematycznego.
Każdego roku na całym świecie produkowane są setki milionów ton odpadów z tworzyw sztucznych. W odpowiedzi naukowcy pilnie opracowują innowacyjne metody recyklingu znacznej części tych odpadów na produkty wysokiej jakości, mając na celu stworzenie prawdziwie gospodarki o obiegu zamkniętym.
Jednak obecne praktyki recyklingu nie pozwalają na osiągnięcie tego celu. Większość odpadów z tworzyw sztucznych jest poddawana recyklingowi mechanicznemu: rozdrabniana, a następnie topiona. Chociaż w wyniku tego procesu powstają nowe produkty z tworzyw sztucznych, ich jakość pogarsza się na każdym etapie recyklingu.
Alternatywą dla tego jest recykling chemiczny, który pozwala uniknąć utraty jakości. Metoda ta polega na rozbiciu długołańcuchowych cząsteczek tworzyw sztucznych (polimerów) na ich podstawowe elementy składowe (monomery), które można ponownie złożyć w nowe, wysokiej jakości tworzywa sztuczne, tworząc prawdziwie zrównoważony cykl.
Paliwa z odpadów tworzyw sztucznych
W miarę rozwoju podejścia do recyklingu chemicznego początkowy nacisk kładziony jest na rozbicie długich łańcuchów polimerowych na cząsteczki o krótszych łańcuchach, które można wykorzystać, powiedzmy, jako paliwa płynne lub smary. Dzięki temu odpady z tworzyw sztucznych zyskują drugie życie w postaci benzyny, paliwa do silników odrzutowych lub oleju silnikowego. Naukowcy z ETH Zurich stworzyli obecnie ważne podstawy rozwoju tego procesu. Umożliwiają one światowej społeczności naukowej zaangażowanie się w bardziej ukierunkowane i skuteczne prace nad rozwojem recyklingu.
Naukowcy z grupy kierowanej przez Javiera Péreza-Ramíreza, profesora inżynierii katalitycznej, badali, w jaki sposób rozkładać polietylen i polipropylen za pomocą wodoru. Tutaj również pierwszym krokiem jest stopienie plastiku w stalowym zbiorniku. Następnie do stopionego tworzywa sztucznego wprowadza się gazowy wodór.
Kluczowym etapem jest dodanie sproszkowanego katalizatora zawierającego metale, takie jak ruten. Starannie dobierając odpowiedni katalizator, badacze mogą zwiększyć wydajność reakcji chemicznej, sprzyjając tworzeniu się cząsteczek o określonej długości łańcucha, minimalizując jednocześnie produkty uboczne, takie jak metan czy propan.
Kluczowa jest prędkość obrotowa i geometria
„Roztopiony plastik jest tysiąc razy grubszy niż miód. Kluczem jest sposób mieszania go w zbiorniku, aby zapewnić dokładne wymieszanie proszku katalizatora i wodoru” – wyjaśnia Antonio José Martín, naukowiec z grupy Péreza-Ramíreza. Poprzez eksperymenty i symulacje komputerowe zespół badawczy wykazał, że tworzywo sztuczne najlepiej mieszać za pomocą wirnika z łopatkami ustawionymi równolegle do osi. W porównaniu do śmigła z łopatkami ustawionymi pod kątem lub mieszadła w kształcie turbiny, zapewnia to bardziej równomierne mieszanie i mniej wirów przepływowych. Równie istotna jest prędkość mieszania. Nie może być ani za wolny, ani za szybki; idealna prędkość jest bliska 1000 obrotów na minutę.
Naukowcom udało się opracować wzór matematyczny opisujący cały proces recyklingu chemicznego wraz ze wszystkimi jego parametrami. „Marzeniem każdego inżyniera chemika jest mieć pod ręką taką formułę dla swojego procesu” – mówi Pérez-Ramírez. Wszyscy naukowcy zajmujący się badaniami mogą teraz precyzyjnie obliczyć wpływ geometrii i prędkości mieszadła.
Dzięki temu wzorowi przyszłe eksperymenty będą mogły skupić się na bezpośrednim porównaniu różnych katalizatorów pod kontrolą wpływu mieszania. Ponadto opracowane tutaj zasady mają kluczowe znaczenie dla skalowania technologii z laboratorium do dużych zakładów recyklingu. „Ale na razie skupiamy się na badaniach lepszych katalizatorów do chemicznego recyklingu tworzyw sztucznych” – mówi Martín.
Odniesienie: „Ocena zjawisk transportu w efektywności katalizatora w chemicznym recyklingu poliolefin” autorstwa Shibashisha D. Jaydeva, Antonio J. Martína, Davida Garcii, Katii Chikri i Javiera Péreza-Ramíreza, 28 sierpnia 2024 r., Inżynieria chemiczna przyrody.
DOI: 10.1038/s44286-024-00108-3
