Ανακύκλωση πλαστικών (MIT): Πώς το κοβάλτιο μπορεί να διασπάσει το PET δημιουργώντας καύσιμα

Μια χημική διαδικασία που χρησιμοποιεί ως βάση το κοβάλτιο,  σύμφωνα με νέα έρευνα από το MIT,  μπορεί να είναι αποτελεσματική στη διάσπαση μιας ποικιλίας πλαστικών, όπως το πολυαιθυλένιο (PET) και το πολυπροπυλένιο (PP), τις δύο πιο ευρέως παραγόμενες μορφές πλαστικού μετατρέποντάς τες σε προπάνιο. Το προπάνιο μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο για σόμπες, θερμάστρες και οχήματα ή ως πρώτη ύλη για την παραγωγή μεγάλης ποικιλίας προϊόντων — συμπεριλαμβανομένων νέων πλαστικών, παρέχοντας έτσι δυνητικά τουλάχιστον ένα μερικό σύστημα ανακύκλωσης κλειστού βρόχου.

Το εύρημα περιγράφεται  στο περιοδικό ανοιχτής πρόσβασης JACS Au, σε μια εργασία του καθηγητή χημικής μηχανικής του MIT Yuriy Román-Leshkov, του μεταδιδακτορικού Guido Zichitella και επτά άλλων στο MIT, το Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών SLAC και το Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας.

Η ανακύκλωση πλαστικών είναι ένα ακανθώδες πρόβλημα, εξηγεί ο Román-Leshkov, επειδή τα μόρια μακράς αλυσίδας στα πλαστικά συγκρατούνται μεταξύ τους με δεσμούς άνθρακα, οι οποίοι είναι «πολύ σταθεροί και δύσκολα διασπώνται». Οι υπάρχουσες τεχνικές για τη διάσπαση αυτών των δεσμών τείνουν να παράγουν ένα τυχαίο μείγμα διαφορετικών μορίων, το οποίο στη συνέχεια θα απαιτούσε πολύπλοκες μεθόδους εξευγενισμού για να διαχωριστούν σε χρησιμοποιήσιμες συγκεκριμένες ενώσεις. «Το πρόβλημα είναι», λέει, «δεν υπάρχει τρόπος να ελέγξεις πού στην αλυσίδα άνθρακα να σπάσεις το μόριο».

Αλλά προς έκπληξη των ερευνητών, ένας καταλύτης από μικροπορώδες υλικό που ονομάζεται ζεόλιθος που περιέχει νανοσωματίδια κοβαλτίου μπορεί επιλεκτικά να διασπάσει διάφορα πλαστικά μόρια πολυμερούς και να μετατρέψει περισσότερο από το 80% αυτών σε προπάνιο.

Αν και οι ζεόλιθοι είναι γεμάτοι με μικροσκοπικούς πόρους μικρότερο από ένα νανόμετρο πλάτους (που αντιστοιχεί στο πλάτος των αλυσίδων του πολυμερούς), μια λογική υπόθεση ήταν ότι θα υπήρχε μικρή αλληλεπίδραση μεταξύ του ζεόλιθου και των πολυμερών. Παραδόξως, όμως, συνέβη το αντίθετο: Όχι μόνο οι αλυσίδες πολυμερών εισέρχονται στους πόρους, αλλά η συνεργατική εργασία μεταξύ του κοβαλτίου και των θέσεων οξέος στον ζεόλιθο μπορεί να σπάσει την αλυσίδα στο ίδιο σημείο. Αυτή η θέση διάσπασης αποδείχθηκε ότι αντιστοιχεί στην αποκοπή ακριβώς ενός μορίου προπανίου χωρίς να δημιουργηθεί ανεπιθύμητο μεθάνιο, αφήνοντας τους υπόλοιπους μεγαλύτερους υδρογονάνθρακες έτοιμους να υποστούν τη διαδικασία, ξανά και ξανά.

«Μόλις έχετε αυτή τη μία ένωση, το προπάνιο, μειώνετε το βάρος των διαχωρισμών», λέει ο Román-Leshkov. «Αυτή είναι η ουσία του γιατί πιστεύουμε ότι αυτό είναι πολύ σημαντικό. Όχι μόνο σπάμε τους δεσμούς, αλλά δημιουργούμε κυρίως ένα ενιαίο προϊόν» που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για πολλά διαφορετικά προϊόντα και διαδικασίες.

Τα υλικά που χρειάζονται για τη διαδικασία, ζεόλιθοι και κοβάλτιο, «είναι και τα δύο αρκετά φθηνά» και ευρέως διαθέσιμα, λέει, αν και σήμερα το μεγαλύτερο μέρος του κοβαλτίου προέρχεται από προβληματικές περιοχές στη Λαϊκή Δημοκρατία του Κονγκό. Κάποια νέα παραγωγή αναπτύσσεται στον Καναδά, την Κούβα και άλλα μέρη. Το άλλο υλικό που απαιτείται για τη διαδικασία είναι το υδρογόνο, το οποίο σήμερα παράγεται ως επί το πλείστον από ορυκτά καύσιμα, αλλά μπορεί εύκολα να γίνει με άλλους τρόπους, συμπεριλαμβανομένης της ηλεκτρόλυσης του νερού χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενέργεια χωρίς άνθρακα, όπως ηλιακή ή αιολική ενέργεια.

Οι ερευνητές δοκίμασαν το σύστημά τους σε ένα πραγματικό παράδειγμα μικτού ανακυκλωμένου πλαστικού, δίνοντας πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα. Ωστόσο, θα χρειαστούν περισσότερες δοκιμές σε μια μεγαλύτερη ποικιλία ροών μικτών αποβλήτων για να προσδιοριστεί πόση ρύπανση γίνεται από διάφορους ρύπους στο υλικό – όπως μελάνια, κόλλες και ετικέτες που είναι προσαρτημένες στα πλαστικά δοχεία ή άλλα μη πλαστικά υλικά που αναμιγνύονται με τα απόβλητα — και πώς αυτό επηρεάζει τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα της διαδικασίας.

Μαζί με τους συνεργάτες του NREL, η ομάδα του MIT συνεχίζει επίσης να μελετά τα οικονομικά του συστήματος και να αναλύει πώς μπορεί να ενταχθεί στα σημερινά συστήματα χειρισμού ροών πλαστικών και μικτών απορριμμάτων. «Δεν έχουμε ακόμη όλες τις απαντήσεις», λέει ο Román-Leshkov, αλλά η προκαταρκτική ανάλυση φαίνεται πολλά υποσχόμενη.

Η ερευνητική ομάδα περιλάμβανε τους Amani Ebrahim και Simone Bare στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή SLAC. Jie Zhu, Anna Brenner, Griffin Drake και Julie Rorrer στο MIT. και ο Γκρεγκ Μπέκαμ στο Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας. Το έργο υποστηρίχθηκε από το Υπουργείο Ενέργειας των Η.Π.Α. τις Βιο-Βελτιστοποιημένες Τεχνολογίες για να κρατήσουν τα Θερμοπλαστικά εκτός Χώρων Υγειονομικής Ταφής και Περιβάλλοντος (BOTTLE).