دانشمندان با استفاده از نمک های گرم شده زباله های پلاستیکی معمولی را به سوخت تبدیل می کنند

زباله های پلاستیکی معمولی را می توان با استفاده از نمک های گرم شده به جای دماهای شدید به سوخت تبدیل کرد.

کیسه های پلاستیکی، تخته های برش و بسیاری از محصولات روزمره دیگر از پلاستیک ساخته شده اند که پس از تبدیل شدن به زباله، استفاده مجدد از آن بسیار دشوار است. محققان آزمایشگاه ملی Oak Ridge قبلاً راهی برای شکستن این پلاستیک و تبدیل آن به سوخت‌های مشابه بنزین و گازوئیل با استفاده از مخلوط نسبتاً ساده نمک‌های گرم شده پیدا کرده‌اند.

پلاستیک پلی اتیلن است که یکی از پرمصرف ترین پلاستیک ها در جهان است. در آزمایش‌های آزمایشگاهی، فرآیند جدید آن را در دمای کمتر از 200 درجه سانتی‌گراد (392 درجه فارنهایت) تبدیل می‌کند که بسیار خنک‌تر از بسیاری از روش‌های معمولی است و بازدهی حدود 60 درصد بنزین تولید می‌کند.

این روش همچنین از چندین ماده تشکیل دهنده که معمولاً برای تبدیل پلاستیک به سوخت مورد نیاز است اجتناب می کند. نیازی به کاتالیزورهای گران قیمت فلزات نجیب، حلال‌های آلی یا منبع هیدروژن خارجی نداشت.

نمک های مذاب جایگزین شیمی سخت تر می شوند

این فرآیند بر اساس نمک های مذاب حاوی کلرید آلومینیوم است. نمک های مذاب به سادگی نمک هایی هستند که حرارت داده می شوند تا به شکل مایع درآیند. در این حالت، مخلوط نمک مایع هم به‌عنوان محیطی که واکنش در آن انجام می‌شود و هم به‌عنوان کاتالیزوری که آن را هدایت می‌کند، عمل می‌کند.

ژنژن یانگ، دانشمند ORNL که همچنین از نویسندگان این مقاله است، گفت: «ما ضایعات پلیمری را با استفاده از نمک‌های معدنی موجود تجاری به عنوان رسانه واکنش برای ایجاد مکان‌های کاتالیزوری به سوخت‌هایی با ارزش افزوده تبدیل کردیم. “برخلاف تکنیک های سنتی پلیمر به سوخت، فرآیند جدید نیازی به کاتالیزور فلزات گرانبها، حلال های آلی یا هیدروژن خارجی ندارد. این اولین بار است که نمک های مذاب به عنوان واسطه ای برای تولید مواد شیمیایی با ارزش افزوده بالا از زباله ها بدون هیچ آغازگر یا حلال کاتالیزوری و در دمای زیر 200 درجه سانتیگراد استفاده می شود.”

دمای نسبتا پایین بخش مهمی از رویکرد است. یک روش متداول به نام پیرولیز، پلاستیک ها را به قطعاتی با حرارت شدید، معمولاً در حدود 450 تا 500 درجه سانتیگراد (842 تا 932 درجه فارنهایت) تجزیه می کند.

لیکی کیو، دانشجوی فوق دکتری در دانشگاه تنسی، ناکسویل، که اکثر آزمایشات تحقیق را در آزمایشگاه ORNL شنگ دای، از ORNL و UTK انجام داد، گفت: «ما تبدیل کارآمد و انتخابی پلی اتیلن به بنزین را توسعه داده‌ایم. Dye، یکی از همکاران شرکت ORNL و رئیس بخش جداسازی و شیمی پلیمر، در نویسندگی این مقاله مشارکت داشت.

سایت های آلومینیومی زنجیره های پلاستیکی را می شکند

محققان همچنین می خواستند بفهمند چرا نمک های مذاب کار می کنند.

پلی اتیلن از زنجیره های بلند اتم های کربن و هیدروژن ساخته شده است. این تیم دریافت که محل‌های آلومینیوم در نمک مذاب بسیار اسیدی می‌شوند و می‌توانند واکنش‌هایی را ایجاد کنند که این زنجیره‌های طولانی را به مولکول‌های هیدروکربنی کوچک‌تر، انواع ترکیبات موجود در سوخت‌ها، تجزیه می‌کنند.

یک مرحله کلیدی شامل تشکیل یک اتم کربن با بار مثبت است. برای ردیابی آنچه در طول این واکنش اتفاق افتاد، محققان از دوتریوم، شکل سنگین‌تری از هیدروژن، به عنوان نشانگر شیمیایی استفاده کردند.

سپس، آنها به پراکندگی نوترون در منبع نوترونی Spallation ORNL روی آوردند، که به ویژه برای ردیابی هیدروژن و ایزوتوپ های آن مفید است.

Dye گفت: این پلیمر حاوی مقدار زیادی هیدروژن است. نوترون ها برای تشخیص عناصر سبک از جمله هیدروژن و ایزوتوپ های آن مانند دوتریوم ایده آل هستند.

این اندازه گیری ها به توضیح اینکه چرا اشکال مختلف پلی اتیلن انواع مختلفی از سوخت را تولید می کنند کمک کرد. زنجیره های پلیمری ساده تر تمایل به تولید ترکیبات بنزین مانند دارند، در حالی که زنجیره های پیچیده تر محصولاتی شبیه دیزل تولید می کنند.

محققان همچنین بررسی کردند که در طی واکنش چه اتفاقی برای خود کاتالیزور آلومینیوم افتاده است. در منبع نور پیشرفته آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، یانگ با مین جی کیم و جین‌هوا گوئو کار کرد تا از اشعه ایکس نرم برای مطالعه تغییرات در سایت‌های آلومینیومی در تعامل با پلی اتیلن استفاده کند.

یانگ گفت: «لبه آلومینیومی با چگالی الکترونی کم به لبه منتقل شد، که به این معنی است که برخی از واسطه‌های غنی از الکترون تشکیل می‌شوند. ما یافته‌ها را با تکنیک‌های دیگر مقایسه کردیم و تأیید کردیم که حلقه معطر میانی می‌تواند با آلومینیوم هماهنگ شود و باعث تغییر در انرژی اتصال شود.

اندازه‌گیری‌ها شواهدی را ارائه کردند که نشان می‌دهد مکان‌های آلومینیومی به طور فعال واکنش را هدایت می‌کنند. این تیم این یافته ها را با چندین تکنیک اضافی، از جمله رزونانس مغناطیسی هسته ای، پراش اشعه ایکس، کروماتوگرافی گازی- طیف سنجی جرمی و شبیه سازی های کامپیوتری پشتیبانی کردند.

دهه‌ها تحقیق در مورد نمک مذاب کاربرد جدیدی پیدا می‌کند

این کار بر پایه دهه‌ها تحقیق در مورد نمک مذاب در اوک ریج استوار است. ORNL حداقل از دهه 1960 به مطالعه این مواد پرداخته است، زمانی که آزمایش راکتور نمک مذاب آن پتانسیل آنها را برای استفاده در راکتورهای هسته ای نشان داد. Dye بعداً استفاده از شیمی نمک مذاب را برای یک چالش بسیار متفاوت پیشنهاد کرد: تبدیل پلیمرهای دور ریخته شده به محصولات مفید.

نمک‌های مذاب می‌توانند در شرایط سخت شیمیایی پایدار بمانند، که می‌تواند آنها را برای فرآوری صنعتی جذاب کند اگر روش جدید در نهایت بزرگ‌تر شود.

Dye گفت: سیستم ORNL دو مشکل اساسی را حل می کند. “اول، برای یک سیستم پایدار، فرآیند می تواند بسیار آسان تر باشد. دوم، سیستم قبلی برای شروع واکنش های کاتالیزوری به یک آغازگر نیاز داشت. با این حال، سیستم ORNL اینطور نیست.”

درک شیمی زیربنایی همچنین ممکن است به محققان کمک کند تا این رویکرد را برای سایر فرآیندهای پلاستیکی یا شیمیایی اعمال کنند.

تومونوری سایتو از ORNL که پروژه را رهبری می‌کرد و در زمینه پلیمر مشارکت داشت، می‌گوید: «در این مورد، ما با استفاده از نمک مذاب، پلی‌اتیلن، یک پلیمر کالایی به‌طور گسترده‌ای در دسترس را با آن مقابله کردیم. ما در حال تلاش برای درک علوم بنیادی هستیم که منجر به اکتشافات و فرصت‌های اقتصادی جدید می‌شود.»

آب همچنان مانعی برای انبساط است

روش هنوز هم یک اشکال مهم دارد. نمک مذاب مبتنی بر آلومینیوم به راحتی آب را جذب می کند و باعث می شود سیستم پایداری کمتری داشته باشد. اکنون محققان امیدوارند که راه‌هایی برای مهار و محافظت بهتر نمک‌های مذاب، با استفاده از هالوژن یا مواد کربنی برای بهبود جداسازی و پردازش، ایجاد کنند.

اگر بتوان بر این چالش ها غلبه کرد و فرآیند را فراتر از آزمایشگاه افزایش داد، پلی اتیلن دور ریخته شده می تواند به جای باقی ماندن یک زباله پلاستیکی دشوار، به منبع مواد شیمیایی مفید مانند سوخت تبدیل شود. این تیم برای ثبت اختراع این روش درخواست داده است.

کیو گفت: “ماده اولیه پلیمری به وفور از ضایعات مصرف کننده در دسترس است و سیستم کاتالیزوری ما، نمک های مذاب آلومینیوم، بسیار ارزان است.” این پیشرفت می تواند برای صنعت امیدوارکننده باشد.»

مرجع: “بازسازی پلی اتیلن به آلکان های مایع در نمک های مذاب تحت شرایط تمیز و خارجی بدون منبع هیدروژن” توسط Liqi Qiu، Felipe Polo-Garzon، Luke L. Daemen، Min-Jae Kim، Jinghua Guo، Bobby G. Sumpter، Michael R. Koehler، Carlos Alberto Steren، Tao Kehrenarngney. و شنگ دای، 7 آوریل 2025، مجله انجمن شیمی آمریکا.
DOI: 10.1021/jacs.5c01107

دفتر علوم DOE (بخش علوم و مهندسی مواد) در درجه اول از این تحقیق پشتیبانی می کند، همانطور که کروماتوگرافی گازی و کار طیف سنجی جرمی (بخش شیمی، علوم زمین و علوم زیستی، برنامه علم کاتالیز) حمایت می کند.

هرگز پیشرفتی را از دست ندهید: به خبرنامه SciTechDaily بپیوندید.
ما را در Google و Google News دنبال کنید.