Превръщане на отпадъчната пластмаса в гориво: Учените разработват технология за каталитично преобразуване при стайна-температура, решавайки глобалното предизвикателство на рециклирането на хлорирана пластмаса
През 2023 г., по време на следдокторантското си изследване в чужбина, Джан Уей публикува първа-авторска статия вНауказа разграждането на пластмасата до течно гориво. Две години по-късно, през 2025 г., вече изследовател в своята алма матер Източнокитайския нормален университет, той публикува друга първа -авторска статия (също като съ-кореспондент) вНаука. Този път той и неговите сътрудници от Китай и чужбина успешно превърнаха пластмасата в бензин,-преобразувайки трудни-разградими-смесени пластмасови отпадъци във високо-качествен бензин с една стъпка.
При 30 градуса технологията постига 95% процент на преобразуване за меки поливинилхлоридни (PVC) тръби и 99% за твърди PVC тръби и PVC проводници. Това позволява токсичните пластмасови отпадъци да бъдат преобразувани в гориво чрез ниско-енергиен процес, провеждан при стайна температура и атмосферно налягане, намалявайки консумацията на енергия с над 70%.
Йоханес Лерхер, съ-автор-кореспондент на доклада и член както на Националната академия по инженерство на САЩ, така и на Европейската академия на науките, отбеляза: „Тази технология е като намирането на „химическа ножица“ за пластмасови отпадъци, способна да нарязва полимерни вериги на молекули с размер на бензин-при стайна температура. Тя осигурява решаваща подкрепа за глобалната кръгова икономика.“
В сравнение с традиционните методи за превръщане на пластмаса в гориво, този нов подход изисква по-малко енергия, по-малко устройства и стъпки и е подходящ за-промишлени приложения в голям мащаб. Получените продукти включват ключови компоненти на бензин, химически суровини и солна киселина, които могат да се използват при пречистване на вода, обработка на метали, фармацевтични продукти, производство на храни и петролна промишленост.
Чрез превръщането на различни видове пластмасови отпадъци в ценни продукти в една стъпка, този метод подпомага развитието на зелена икономика.
В проучването Джан и екипът му смесиха пластмасови отпадъци с леки изоалканови въглеводороди-страничен продукт от рафинирането на нефт-за производство на бензин-въглеводороди от гамата, предимно молекули с 6 до 12 въглеродни атома, основните компоненти на бензина. Възстановената солна киселина може да бъде безопасно неутрализирана и повторно използвана като суровина, потенциално заменяйки няколко високо{6}}температурни, енерго-интензивни производствени маршрута, използвани в момента в областта.
Полиолефините представляват около 50% от световното производство на пластмаса, докато PVC, хлорирано производно, съставлява още 10%. PVC е навсякъде-от водопроводни тръби и прозорци у дома до чанти от изкуствена кожа, подови настилки, банкови карти и изолация на проводници.
С високо съдържание на хлор (около 57% от теглото), PVC създава по-сериозни екологични предизвикателства, когато се изхвърля в сравнение с други полимери. Традиционните методи като изгарянето изискват цялостно дехлориране, за да се предотврати освобождаването на токсични хлорирани съединения като диоксини и полихлорирани бифенили.
В отговор регулаторните агенции в Европа и САЩ започнаха да преразглеждат свързаните с PVC-вещества през 2023 г., подчертавайки спешната необходимост от справяне с въздействието на PVC върху околната среда.
Обикновено пътищата за химическо надграждане, които разграждат пластмасата до компоненти с висока-чистота, изискват отделни стъпки за дехлориране при висока-температура. Стратегията на Zhang преобразува отпадъчния PVC в-несъдържащи хлор горива-въглеводороди и солна киселина в една стъпка.
Този процес позволява пълното каталитично преобразуване на PVC и полиолефинови смеси в една стъпка, като значително повишава ефективността на докладваните по-рано технологии за преобразуване само за полиолефини.
Изследователите открили, че PVC може да служи като източник на карбокатиони, елиминирайки необходимостта от външен инициатор и ускорявайки общата скорост на реакцията. Например, когато съотношението на PVC към полиетилен е 1:1, смесеният полимер може да бъде напълно преобразуван в рамките на 30 минути, произвеждайки около 97% течни изоалкани спрямо теглото.
За да демонстрира приложимостта на процеса към-отпадъците от реалния свят, екипът преобразува различни PVC продукти след-употреба в алкани при стайна температура и атмосферно налягане. Резултатите показаха, че PVC отпадъците след употреба, включително меки/твърди PVC тръби и PVC проводници, показват подобна реактивност при 30 градуса.
При практически приложения смесените пластмасови отпадъци могат да въведат различни добавки и примеси в йонната течна фаза. Те могат да повлияят на скоростта на реакцията или да се натрупат в по-плътния йонен течен слой, но органичната фаза все още може да генерира значителни количества несъдържащи хлор{1}}течни алкани и газообразен изобутан в рамките на два часа.
Когато PVC отпадъците след-използване бяха смесени с твърд полиетиленов материал с висока{1}}плътност, беше постигнато почти-количествено преобразуване на твърдо вещество при 80 градуса, с изобутан като основен продукт. Въпреки че диспропорционирането на изопентан е неизбежно в присъствието на карбокатиони, то се случва главно в ранните етапи на реакцията.
Около 40–66% от продукта е газообразен изобутан, който може да бъде рециклиран заедно с нереагиралия изопентан като компоненти на алкилирането, което подчертава ефективността и устойчивостта на процеса.
Тази технология се занимава с ключовия проблем с разпространението на продукта при превръщането на смесените пластмасови отпадъци в гориво и остава незасегната от примеси или хетерогенност в пластмасовата смес.
В тази реакционна система дихлорометанът разрежда йонната течност, намалявайки вискозитета и локалното съпротивление на пренос на маса. Също така може да бъде напълно възстановено и повторно използвано заедно с всички леки продукти чрез дестилация.
Като цяло тази работа предлага преобразуващ и мащабируем едно-етапен процес за прециклиране на смесени PVC и полиолефинови отпадъци. Чрез понижаване на консумацията на енергия, намаляване на нуждите от оборудване и елиминиране на междинните стъпки, той значително подобрява ефективността и -ефективността на разходите, като същевременно намалява въздействието върху околната среда.
Освен това този-етапен метод превръща различни пластмасови отпадъци в продукти с висока-стойност с подобрено качество, полагайки основата за-промишлени приложения.
Както споменахме, Джан Уей е първият автор на доклада, а Йоханес Лерхер, един от съ-авторите-кореспонденти, беше негов постдокторантски съветник в САЩ. По време на престоя си в чужбина Джанг ръководи проекти за разграждане на отпадъчна пластмаса, финансирани от Министерството на енергетиката на САЩ, и за хидрогениране на CO2 за синтез на много-въглеродни алкохолни горива, спонсорирани от Chevron, допринасящи за ключови решения за ефективно използване на въглеродните ресурси в промишлеността катализа.
Сега ръководейки своята изследователска група в Източнокитайския нормален университет, Джан се фокусира върху четири основни области:
Оценяване на отпадъчни въглеродни ресурси (пластмаси/биомаса) чрез термични, фотонни, електрохимични и каталитични технологии за свързване.
Каталитичен крекинг на тежки парафинови въглеводороди и алкилиране на леки алкани за иновация на стандартното производство на бензин.
Каталитично превръщане на C1 молекули (CO2/CO) в енергийни носители с висока -плътност.
Разработване на каталитични реакции и системи, използващи вода като източник на водород и среда.
Според университета Джан ще насърчи допълнително индустриализацията на зелената каталитична технология чрез пилотни сътрудничества с нефтохимически компании. Той също така ще използва изкуствения интелект, за да разработи по-ефективни каталитични системи, да изясни механизмите на атомно-ниво на преобразуване на пластмаса и да даде възможност за--крайни иновации от лаборатория до индустрия.