O futuro da reciclagem de plástico pode em breve ficar muito menos complicado, frustrante e tedioso.
Em um novo estudo, os químicos da Northwestern College introduziram um novo processo de upcycling plástico que pode reduzir drasticamente-ou talvez até ignorar completamente-a trabalhadora tarefa de pré-classificar resíduos de plástico misto.
O processo aproveita um novo catalisador baseado em níquel barato que decompõe seletivamente os plásticos de poliolefina que consistem em polietilenos e polipropilenos-o tipo de uso único que domina quase dois terços do consumo plástico international. Isso significa que os usuários industriais podem aplicar o catalisador a grandes volumes de resíduos de poliolefina não classificados.
Quando o catalisador quebra poliolefinas, os plásticos sólidos de baixo valor se transformam em óleos e ceras líquidas, que podem ser recicladas em produtos de maior valor, incluindo lubrificantes, combustíveis e velas. Não apenas pode ser usado várias vezes, mas o novo catalisador também pode quebrar os plásticos contaminados com cloreto de polivinil (PVC), um polímero tóxico que torna notoriamente plásticos “irrecucláveis”.
O estudo foi publicado em 2 de setembro na revista Química da natureza.
“Um dos maiores obstáculos da reciclagem de plástico sempre foi a necessidade de classificar meticulosamente resíduos de plástico por tipo”, disse Tobin Marks, da Northwestern, o autor sênior do estudo. “Nosso novo catalisador pode ignorar esse passo caro e muito trabalhoso para os plásticos comuns de poliolefina, tornando a reciclagem mais eficiente, prática e economicamente viável que as estratégias atuais”.
“Quando as pessoas pensam em plástico, provavelmente estão pensando em poliolefinas”, disse Yosi Kratish, da Northwestern, um autor-correspondente no jornal. “Basicamente, quase tudo na geladeira é à base de poliolefina-aperta garrafas para condimentos e molhos para salada, jarros de leite, filme plástico, sacos de lixo, utensílios descartáveis, cartons de suco e muito mais. Esses plásticos têm uma vida muito curta, então eles são mais úmidos. Se eles não têm um pouco de plastics, que não têm um descentivo, que são muito curtos, então eles são de maneira única. degradando -se em microplásticos prejudiciais. “
Um especialista em catálise de renome mundial, Marks é o professor de química catalítica de Vladimir N. Ipatieff no Weinberg School de Artes e Ciências da Northwestern e professor de engenharia química e biológica da Northwestern McCormick College of Engineering. Ele também é afiliado do corpo docente do Instituto Paula M. Triens de Sustentabilidade e Energia. Kratish é professor assistente de pesquisa em grupo de Marks e membro afiliado do corpo docente do Instituto Triens. Qingheng Lai, um associado de pesquisa no grupo de Marks, é o primeiro autor do estudo. Marks, Kratish e Lai co-lideraram o estudo com Jeffrey Miller, professor de engenharia química da Universidade de Purdue; Michael Wasielewski, professor de química de Clare Hamilton Corridor em Weinberg; e Takeshi Kobayashi, um cientista de pesquisa no Laboratório Nacional de Ames.
A situação da poliolefina
De xícaras de iogurte e embalagens de lanche a garrafas de shampoo e máscaras médicas, a maioria das pessoas interage com plásticos de poliolefina várias vezes ao longo do dia. Devido à sua versatilidade, as poliolefinas são o plástico mais usado do mundo. Por algumas estimativas, a indústria produz mais de 220 milhões de toneladas de produtos de poliolefina globalmente a cada ano. No entanto, de acordo com um relatório de 2023 na revista Nature, as taxas de reciclagem para plásticos de poliolefina são assustadoramente baixas, variando de menos de 1% a ten% em todo o mundo.
A principal razão para essa taxa decepcionante de reciclagem é a composição robusta e teimosa da poliolefina. Ele contém pequenas moléculas ligadas juntamente com ligações carbono-carbonas, famosamente difíceis de quebrar.
“Quando projetamos catalisadores, visamos pontos fracos”, disse Kratish. “Mas as poliolefinas não têm hyperlinks fracos. Todo vínculo é incrivelmente forte e quimicamente não reativo”.
Problemas com processos atuais
Atualmente, existem apenas alguns processos menos do que ideais que podem reciclar poliolefina. Pode ser triturado em flocos, que são derretidos e reduzidos para formar grânulos de plástico de baixa qualidade. Mas como diferentes tipos de plásticos têm propriedades diferentes e pontos de fusão, o processo exige que os trabalhadores separem escrupulosamente vários tipos de plásticos. Mesmo pequenas quantidades de outros plásticos, resíduos alimentares ou materiais não plásticos podem comprometer um lote inteiro. E esses lotes comprometidos vão direto para o aterro.
Outra opção envolve aquecimento de plásticos a temperaturas incrivelmente altas, atingindo 400 a 700 graus Celsius. Embora esse processo degrada os plásticos de poliolefina em uma mistura útil de gases e líquidos, é extremamente intensivo em energia.
“Tudo pode ser queimado, é claro”, disse Kratish. “Se você aplicar energia suficiente, poderá converter qualquer coisa em dióxido de carbono e água. Mas queríamos encontrar uma maneira elegante de adicionar a quantidade mínima de energia para derivar o produto de valor máximo”.
Engenharia de Precisão
Para descobrir essa solução elegante, Marks, Kratish e sua equipe, procuraram hidrogenólise, um processo que usa gás hidrogênio e um catalisador para quebrar os plásticos de poliolefina em hidrocarbonetos menores e úteis. Embora já existam abordagens de hidrogenólise, elas geralmente exigem temperaturas extremamente altas e catalisadores caros feitos de metais nobres como platina e paládio.
“A escala de produção de poliolefina é enorme, mas as reservas de metais nobres globais são muito limitadas”, disse Lai. “Não podemos usar todo o suprimento de metallic para química. E, mesmo que o fizéssemos, ainda não haveria o suficiente para resolver o problema plástico. É por isso que estamos interessados em metais abundantes da Terra”.
Para seu catalisador de reciclagem de poliolefina, a equipe do noroeste identificou o níquel catiônico, que é sintetizado a partir de um composto de níquel abundante, barato e comercialmente disponível. Enquanto outros catalisadores baseados em nanopartículas de níquel têm vários locais de reação, a equipe projetou um catalisador molecular de spotamento único.
O design de um único native permite que o catalisador age como um bisturi altamente especializado-cortando preferencialmente as ligações carbono-carbono-em vez de um instrumento contundente menos controlado que decompõe indiscriminadamente toda a estrutura do plástico. Como resultado, o catalisador permite a quebra seletiva de poliolefinas ramificadas (como polipropileno isotático) quando são misturadas com poliolefinas não ramificadas – separando -as efetivamente quimicamente.
“Comparado a outros catalisadores à base de níquel, nosso processo usa um catalisador de websites único que opera a uma temperatura 100 graus mais baixo e na metade da pressão do gás de hidrogênio”, disse Kratish. “Também usamos 10 vezes menos o carregamento do catalisador e nossa atividade é 10 vezes maior. Portanto, estamos vencendo em todas as categorias”.
Acelerado por contaminação
Com seu native ativo único, definido com precisão e isolado, o catalisador baseado em níquel possui atividade e estabilidade sem precedentes. O catalisador é tão termicamente e quimicamente estável, de fato, que mantém o controle mesmo quando exposto a contaminantes como o PVC. Utilizado em tubos, pisos e dispositivos médicos, o PVC é visualmente semelhante a outros tipos de plásticos, mas significativamente menos estável após o aquecimento. Após a decomposição, o PVC libera gás cloreto de hidrogênio, um subproduto altamente corrosivo que normalmente desativa os catalisadores e interrompe o processo de reciclagem.
Surpreendentemente, não apenas o catalisador da Northwestern resistiu à contaminação do PVC, o PVC realmente acelerou sua atividade. Mesmo quando o peso whole da mistura de resíduos é composto por 25% de PVC, os cientistas descobriram que seu catalisador ainda trabalhava com melhor desempenho. Esse resultado inesperado sugere que o método da equipe pode superar um dos maiores obstáculos da reciclagem de plástico misto – quebrando os resíduos do baixo atualmente considerados “irrecucláveis” devido à contaminação do PVC. O catalisador também pode ser regenerado em vários ciclos através de um tratamento simples com alquilalumínio barato.
“Adicionar PVC a uma mistura de reciclagem sempre foi proibido”, disse Kratish. “Mas, aparentemente, isso torna nosso processo ainda melhor. Isso é loucura. Definitivamente, não é algo que alguém esperava.”
O estudo, “Catalisador Organo-Ni estável de um único native, preferencialmente hidrogenolisos, as ligações de poliolefina CC ramificadas” foram apoiadas pelo Departamento de Energia dos EUA (número de prêmio De-SC0024448) e pela Dow Chemical Firm.
