Nanočástice jsou Klíčem k Ekonomické Recyklaci Plastů Nízké Kvality

Jedním z nejnaléhavějších problémů dneška je problém plastového odpadu. Jde o problém, který může být vyřešen použitím nanočástic jako katalyzátoru k přeměně plastů na užitečné produkty, jako je motorový olej, kosmetika a čistící prostředky.

Každý rok se celosvětově vyprodukuje téměř 400 milionů tun plastů, což je počet, u kterého se předpokládá, že se v příštích 30 letech zvýší čtyřikrát. Více než 75% plastů je vyrobených pro výrobky na jedno použití, jako jsou plastové sáčky a láhve na vodu. Je prakticky nevyhnutelné, že některé z těchto plastů nebudou řádně zlikvidovány.

Komunity vyvíjejí úsilí o zvýšení správné likvidace plastů, také výrobci hledají způsoby jak plasty vyměnit. I když v mnoha situacích, jako jsou zdravotnické prostředky a obaly potravin, je plast jednoduše tím nejlepším dostupným materiálem.

Současná technologie je však omezena na typ plastu, který může ekonomicky recyklovat, a do čeho lze plastový odpad recyklovat. De facto to znamená, že vysoce kvalitní plast je přeměněn na plastový produkt o něco menší hodnoty a horší kvality, který pak může být recyklován na ještě méně cenný polymer s nižší kvalitou, dokud nakonec plast nebude tak špatné kvality, že může pouze být spálen nebo pohřben na skládce.

Aby se zabránilo tomuto neustále se zmenšujícímu okruhu recyklace plastů, vyžaduje průlomový způsob omlazení chemikálií a surovin v plastu.

"V některých případech může společnost určitě udělat něco, abychom snížili spotřebu plastů, ale vždy se vyskytnou případy, kdy je obtížné plasty vyměnit," říká Aaron Sadow, vědec a vedoucí týmu průlomů v nanočásticích. "Takže opravdu chceme vidět, co můžeme udělat, abychom našli hodnotu v odpadu."

Jako Max Delferro, vedoucí skupiny programu pro katalýzu vědy v divizi chemických věd a inženýrství v Národní laboratoři amerického ministerstva energetiky (DOE) v Argonne National Laboratory, který poznamenává: „Položili jsme si otázku:„ Co s tím můžeme udělat [plastový odpad ] pokud jde o chemickou recyklaci? “. Sestavili jsme tedy talentovaný tým s DOE's Ames Laboratory a vědci z nejlepších univerzit, abychom poskytli řešení. “

Tým tvořili akademici z uznávaných univerzit, jako je Cornell, Northwestern, University of South Carolina a University of California, Santa Barbara.

Většina problému spočívá v tom, že mnoho plastů jednoduše nedegraduje snadno kvůli jejich silným vazbám uhlík-uhlík. Zejména polyetylen a další polyolefiny je katalyticky velmi obtížné dekonstruovat, přesto se tým domníval, že pouze použitím účinných katalyzátorů by bylo dosaženo ekonomické recyklace polymerů nižší kvality.

Řešení může být nyní nalezeno ve formě katalyzátoru tvořeného nanočásticemi platiny a nanočásticemi perovskitu, které mohou rozkládat plasty na finančně životaschopnou formu.

„Snažili jsme se získat zpět vysokou energii, která drží tyto vazby, katalytickou přeměnou molekul polyethylenu na komerční produkty s přidanou hodnotou,“ říká Delferro.

Jak uvádí vědecký časopis Cosmos Magazine, „vědci tvrdí, že za mírného tlaku a teploty katalyzuje štěpení vazby uhlík-uhlík z plastu za účelem výroby vysoce kvalitních kapalných uhlovodíků. To je v ostrém kontrastu s komerčně dostupnými katalyzátory, které vytvářejí produkty nižší kvality s mnoha krátkými uhlovodíky, což omezuje jejich užitečnost. “

Jednou z větších překážek při tvorbě katalyzátoru bylo umístění platinových nanočástic - každá o velikosti jen 2 nanometrů - na horní část perovskitových nanočástic, které samy měří pouze asi sto nanometrů. Toho bylo dosaženo špičkovou metodou depozice atomové vrstvy vyvinutou vědci z Argonne a Northwestern pro přesnou manipulaci s takovými malými předměty.

Perovskit byl vybrán kvůli své stabilitě za extrémního tlaku a teploty potřebné pro katalýzu a také díky prokázaným vlastnostem přeměny energie.

Jakmile byl katalyzátor vyroben, mohlo začít testování, počínaje vysoce kvalitním polymerem - polyethylenem pro výzkum - jednou z nejběžnějších součástí každodenního plastu. Jak uvádí nanotechnologický časopis Nanowerk, „katalyzátor za vhodných reakčních podmínek přeměnil polyethylen na vysoce kvalitní kapalný produkt ve vysokém výtěžku. Dále byl testován katalyzátor pomocí plastového sáčku. Je pozoruhodné, že katalyzátor byl stejně účinný jako plastový sáček jako čistý polyethylen, a produkoval mnohem méně lehkých uhlovodíků (metan, ethan atd.) Generovaných pyrolýzou – což je proces, který zahrnuje zahřívání na vysoké teploty - nebo použití konvenční katalyzátor sestávající z nanočástic platiny na aluminovém substrátu. “

Další testy odhalily, že klíčové vlastnosti byly aplikovány nanočásticemi surovin, aby se vytvořil účinný katalyzátor. Jak uvádí Nanowerkova zpráva, „Jednou je tepelná stabilita nanočástic platiny na větších částicích perovskitu, a to díky těsné geometrické shodě kubických tvarů nanočástic a podpory. Druhým je neporéznost perovskitového materiálu, což podporuje katalytickou reakci. “

Výsledky velmi ohromily tým a ostatní ve vědecké komunitě.

Kenneth R. Poeppelmeier, ředitel Centra pro katalýzu a povrchovou vědu na severozápadě a člen Programu pro plasty, ekosystémy a veřejné zdraví, uvedl: „Náš tým s potěšením objevil tuto novou technologii, která nám pomůže s narůstajícím problémem hromadění plastového odpadu. “Dodáváme, že„ Naše zjištění mají široké důsledky pro rozvoj budoucnosti, v níž můžeme i nadále těžit z plastových materiálů, ale činíme tak způsobem, který je udržitelný a méně škodlivý pro životní prostředí a potenciálně lidské zdraví. “

Studie, nyní zveřejněná v časopise ACS Central Science, uvádí: „… neefektivní recyklace a extrémně pomalá degradace plastů v životním prostředí způsobují stále větší obavy z jejich rozšířeného používání. Po jednorázovém použití se mnoho z těchto materiálů v současné době zpracovává jako odpad, což nevyužívá jejich vlastní chemické a energetické hodnoty. V této studii se energeticky bohaté polyethylenové (PE) makromolekuly katalyticky přeměňují na produkty s přidanou hodnotou hydrogenolýzou za použití dobře dispergovaných nanočástic Pt (NP) podporovaných nanočásticemi perovskitu SrTiO3 depozicí atomové vrstvy. Pt / SrTiO3 kompletně přeměňuje PE nebo jednorázové plastové sáčky na vysoce kvalitní kapalné produkty, jako jsou mazadla a vosky, charakterizované úzkou distribucí oligomerních řetězců. “

„Plastové znečištění je zjevně velkým problémem,“ uzavírá Delferro. "Nikdo nechce strávit dovolenou na pláži, kde se všude válí plasty. I když náš katalyzátor stále potřebuje další vývoj, naše výsledky vypadají velmi slibně, protože přispívají k plnění úkolů národních laboratoří při řešení některých nejsložitějších problémů na světě. “

Fotografický kredit: ACS Central Science, Azocleantech, & ANL