التكسير الهيدروجيني طريقنا لإعادة تدوير النفايات البلاستيكية التي يصعب إعادة تدويرها

 

 

ملخص

تاريخ: 26 أبريل 2021

مصدر: جامعة ديلاوير  Delaware

ملخص:

قام الباحثون بتطوير طريقة جديدة لتحويل النفايات البلاستيكية plastic waste ذات الاستخدام الواحد إلى جزيئات تستخدم كـ وقود للطائرات والديزل ومواد التشحيم. وهذه الطريقة تتطلب طاقة أقل بنسبة 50٪ من الطرق الأخرى ولا تؤدي إلى انبعاث ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي. ويمكن أن تعالج مجموعة متنوعة من البلاستيك ، حتى وأن تم خلطها.

 

 

إعادة تدوير النفايات البلاستيكية

تنتهي دورة ملايين الأطنان من البلاستيك في مكبات النفايات كل عام. وهي مشكلة مجتمعية كبيرة وتهديد بيئي خطر.

في الولايات المتحدة ، يتم إعادة تدوير أقل من 9٪ من النفايات البلاستيكية. اما الـ 75٪ الباقية من نفايات البلاستيك تبقى في مكبات النفايات ويتم حرق ما يصل إلى 16٪ من هذه النفايات ، وهي عملية تطلق غازات سامة في الغلاف الجوي.

طور باحثون من مركز ابتكارات البلاستيك بجامعة ديلاوير (CPI) طريقة مباشرة لتحويل النفايات البلاستيكية ذات الاستخدام الواحد (الأكياس البلاستيكية وحاويات الزبادي والزجاجات البلاستيكية وأغطية الزجاجات وغير ذلك) إلى جزيئات جاهزة للاستخدام كـ وقود للطائرات والديزل وزيوت التشحيم.

 

يركز العمل ، الذي ورد في ورقة بحثية في Science Advances يوم الأربعاء ، 21 أبريل ، على استخدام محفز جديد وعملية فريدة للتكسير السريع لهذه المواد البلاستيكية التي يصعب إعادة تدويرها ، والمعروفة باسم البولي أوليفينات. تشكل البولي أوليفينات 60 إلى 70٪ من مجمل المواد البلاستيكية المصنوعة اليوم.

تتطلب العملية التي تم تطويرها UD طاقة أقل بنسبة 50٪ تقريبًا من التقنيات الأخرى ، ولا تتضمن انبعاث ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي ، مما يؤدي إلى توفير في الانبعاثات مقارنة بالتقنيات الأخرى الشائعة الاستخدام. ويمكن القيام بذلك في غضون ساعتين فقط في درجة حرارة منخفضة ، حوالي 250 درجة مئوية. وهو أعلى قليلاً من درجة حرارة الفرن البالغة 450 درجة فهرنهايت التي قد تستخدمها لتحميص الفطائر في المنزل.

الأهم من ذلك ، يمكن لطريقة فريق UD معالجة مجموعة متنوعة من المواد البلاستيكية ، وحتى عندما يتم خلطها معًا ، بالإضافة إلى النظر في طريقة إدارة المواد القابلة لإعادة التدوير.

قال ديون فلاشوس ، الباحث الرئيسي في المشروع ورئيس Unidel Dan Rich في أستاذ الطاقة في الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية في UD: "التحويل الكيميائي هو النهج الأكثر تنوعًا وقوة لمكافحة النفايات البلاستيكية".

ومن بين المؤلفين المشاركين في الورقة سيباو ليو ، وهو باحث سابق لما بعد الدكتوراه في جامعة دي في دي ، وهو الآن أستاذ مشارك في الهندسة الكيميائية والتكنولوجيا بجامعة تيانجين. والباحثين في معهد CPI ، بافيل كوتس ، زميل ما بعد الدكتوراه في جامعة دي. براندون فانس ، طالب دراسات عليا في جامعة دي. وأندرو دانيلسون ، أحد كبار المتخصصين في الهندسة الكيميائية.

 

 

تكوين جزيئات جاهزة للاستخدام

استخدم فريق البحث في UD عملية كيميائية تسمى التكسير الهيدروجيني لتحطيم المواد الصلبة البلاستيكية إلى جزيئات كربون أصغر ، ثم أضافوا جزيئات الهيدروجين على كلا الطرفين لتثبيت المادة للاستخدام.

التكسير التحفيزي ليس بالشيء الجديد. استخدمته المصافي لتحويل النفط الخام الثقيل إلى بنزين لسنوات.

ومع ذلك ، فإن طريقة فريق البحث تقوم بأكثر من مجرد تكسير البلاستيك. بل أنها تحول المادة إلى جزيئات متفرعة تسمح لها بتحويلها بشكل مباشر إلى منتج نهائي.

قال فلاشوس ، الذي يدير أيضًا معهد ديلاوير للطاقة ومركز الحفز لابتكار الطاقة في جامعة ديلاوير: "هذا يجعلها جزيئات جاهزة للاستخدام لزيوت التشحيم عالية القيمة أو استخدامها في تطبيقات الوقود".

 

المحفز نفسه هو في الواقع مادة هجينة ، مزيج من الزيوليت وأكاسيد المعادن المختلطة.

من المعروف أن الزيوليت له خصائص تجعله جيد في تكوين الجزيئات المتفرعة. تم العثور على الزيوليت في أشياء مثل أنظمة تنقية المياه والمنظفات المنزلية ، حيث تعمل على مقاومة المعادن مثل الكالسيوم والمغنيسيوم ، مما يجعل الماء العسر أكثر ليونة ويحسن من عملية الغسيل.

وفي الوقت نفسه ، تُعرف أكاسيد المعادن المختلطة بقدرتها على تكسير الجزيئات الكبيرة بالكمية المناسبة دون المبالغة في ذلك. مضاد الحموضة الموجود في خزانة الأدوية ، على سبيل المثال ، هو أكسيد معدني يستخدم لتفكيك أو تحييد الحمض الذي يسبب اضطراب المعدة.

 

قال فلاشوس: "يعمل هذان المحفزان وحدهما بشكل سيئ. معًا ، فإن المزيج يقوم بعمل سحري ، حيث يقوم بإذابة البلاستيك وعدم ترك أي جزء من البلاستيك خلفه".

يمنح هذا الأسلوب المطور CPI ميزة على التقنيات الحالية المستخدمة اليوم ، على الرغم من أن Vlachos شدد على الحاجة إلى مزيد من العمل لتحويل هذه الأساليب العلمية إلى الصناعة. ميزة أخرى: يتم استخدام المواد المحفزة للفريق بشكل شائع، وبالتالي فهي غير مكلفة إلى حد ما ومتوفرة.

وقال "هذه ليست مواد غريبة ، لذلك يمكننا أن نبدأ بسرعة في التفكير في كيفية استخدامها". قدم هو وليو براءة اختراع مؤقتة حول المحفز الثنائي الجديد والطريقة الفريدة من خلال مكتب الابتكار الاقتصادي والشراكات في UD.

 

 

حلول مستدامة ، دائرة الاقتصاد

يمكن أن يلعب الحد من النفايات البلاستيكية عن طريق تحويلها كيميائيًا إلى وقود دورًا قويًا في قيادة الاقتصاد  ، حيث يتم إعادة تدوير المواد إلى شيء جديد في نهاية عمرها الافتراضي ، بدلاً من التخلص منها. يمكن استخدام المكونات المعاد تدويرها لصنع نفس الشيء مرة أخرى أو ، في استخدامه كـ وقود ، إعادة تدويرها إلى منتجات ذات قيمة أعلى - مما يؤدي إلى تحقيق مكاسب اقتصادية وبيئية.

بالنسبة لأندرو دانيلسون ، كبير المهندسين الكيميائيين في جامعة دي في دي مشارك في المشروع ، فإن الفوائد البيئية المحتملة لتحويل البلاستيك جيدة للغاية.

قال دانيلسون ، الذي تضمنت مساهماته في العمل التحقق من البيانات التي تم جمعها أثناء المشروع من خلال إعادة إنتاج التجارب: "النفايات البلاستيكية قضية بيئية خطيرة. أعتقد أن هذا البحث يمكن أن يساعد في الوصول إلى طرق أفضل لإعادة استخدام البلاستيك".

بعد التخرج في مايو ، سيضع دانيلسون هذه التجربة البحثية للعمل في الصناعة الكيميائية. لقد حصل بالفعل على وظيفة في ضوابط العمليات ، وهي جزء من عملية التصنيع التي تتضمن التحكم في المتغيرات ، مثل درجة الحرارة والضغط والتوصيل ، من بين أشياء أخرى.

تتضمن الخطوات التالية في بحث CPI استكشاف أنواع البلاستيك الأخرى التي يمكن لطريقة الفريق معالجتها والمنتجات التي يمكن أن يصنعها. للبدء ، قال فلاشوس إن الفريق يأمل في توسيع التعاون مع الزملاء في جميع أنحاء الحرم الجامعي وفي مركز ابتكارات البلاستيك لاستكشاف طرق أخرى لصنع منتجات قيمة من خلال التخلص من النفايات.

وقال: "مع تقدم هذا الاقتصاد ، سيحتاج العالم إلى إنتاج عدد أقل من المواد البلاستيكية الأصلية لأننا سنعيد استخدام المواد المصنوعة اليوم في المستقبل".

الهدف الآخر هو تطوير طرق لتحسين عملية إعادة التدوير نفسها.

وقال فلاشوس: "نريد استخدام الكهرباء الخضراء لدفع المعالجة الكيميائية التي تدخل في صنع أشياء جديدة. نحن بعيدون جدًا في الوقت الحالي عن رؤية هذا ، ولكن هذا هو المكان الذي نتجه إليه خلال السنوات العشر إلى العشرين القادمة".

 

 

 

المصادر

1.       Materials provided by University of Delaware. Original written by Karen B. Roberts. Note: Content may be edited for style and length.

2.      Sibao Liu, Pavel A. Kots, Brandon C. Vance, Andrew Danielson, Dionisios G. Vlachos. Plastic waste to fuels by hydrocracking at mild conditions. Science Advances, 2021; 7 (17): eabf8283 DOI: 10.1126/sciadv.abf8283