محققان دانشگاه جنگلداری نانجینگ چین و دانشگاه تسینگ‌هوا تایوان، رویکرد جدیدی را برای تبدیل پلی‌استایرن، پلاستیکی که به‌طور گسترده برای بسته‌بندی برخی مواد غذایی و سایر محصولات استفاده می‌شود، به تولوئن، هیدروکربنی که در محیط‌های صنعتی و تولیدی ارزشمند است، معرفی کرده‌اند. راهبرد پیشنهادی آنان مستلزم گرم کردن ضایعات پلی‌استایرن در هیدروژن و تجزیه آن به مولکول‌های بخار کوچکتر است، فرآیندی که به‌عنوان هیدروپیرولیز شناخته می‌شود.

نتایج تحلیل‌های چرخه عمر و تاثیر فنی-اقتصادی انجام شده این گروه نشان داد که فرآیند تازه معرفی شده می‌تواند ردپای کربن حاصل از تولید تولوئن را تا ۵۳ درصد کاهش دهد و تولوئن را با هزینه تخمینی ۰.۶۱ دلار در کیلوگرم تولید کند که پایین‌تر از معیار فعلی صنعت است.

زدونگ ژانگ، یکی از محققان این تحقیق گفت: این روش بر اساس توسعه قبلی ما از یک راکتور بستر ثابت دو مرحله‌ای و از فعالیت و پایداری منحصربه‌فرد کاتالیزورهای تک اتمی در هیدروژنولیز پلاستیک الهام گرفته شده است.

ژانگ افزود: تنظیم مراکز فعال روتنیوم در سطح اتمی، امکان کنترل گزینش‌پذیری محصول را فراهم و واکنش‌پذیری بالا را در تبدیل پلی‌استایرن حفظ می‌کند. هدف اصلی این تحقیق، نشان دادن این مورد بود که کاتالیزورهای تک اتمی می‌توانند بر مبادله سنتی بازده-گزینش‌پذیری غلبه کنند و مسیرهای جدیدی را برای بازیافت مجدد پلاستیک ارائه دهند.

تجزیه زباله به مولکول‌های کوچک‌تر

راهبرد پیشنهادی این محققان برای تبدیل زباله‌های پلاستیکی به مولکول‌های کوچک‌تر، متکی بر سیستم راکتور واحد است که دو مرحله جداگانه را اجرا می‌کند. مرحله اول به‌عنوان پیرولیز شناخته می‌شود و شامل گرم کردن پلی‌استایرن جامد تا دمای بالا تا زمانی است که تجزیه شود.

بخارات داغ حاصل از این مرحله سپس به بخش دوم راکتور که حاوی کاتالیزور و گاز هیدروژن است، جریان می‌یابند و واکنشی به‌نام هیدروژنولیز رخ می‌دهد که از طریق آن هیدروژن پیوندهای شیمیایی را در مولکول‌های بخار قطع کرده و آنها را به ماده شیمیایی مورد نظر (یعنی تولوئن) تبدیل می‌کند.

ژانگ اظهار کرد: در آزمایش‌های ما، پلی‌استایرن جامد در رآکتور اول (۴۷۵ درجه سانتی‌گراد، ۰.۴ مگاپاسکال) به واسطه‌های بخار و سپس در رآکتور دوم (۲۷۵ درجه سانتی‌گراد، ۰.۴ مگاپاسکال) به‌صورت انتخابی روی یک کاتالیزور تک اتمی روتنیوم به تولوئن تبدیل شد.  این رویکرد را با همکاری جیا وانگ و جیانچون جیانگ، از طریق آزمایش‌های کاتالیزوری در مقیاس آزمایشگاهی و آزمایش‌های افزایش مقیاس، ازجمله مقادیر خوراک بالاتر و رآکتورهای بستر ثابت بزرگتر، اعتبارسنجی کردیم.

پیشرفت بیشتر و کاربردهای احتمالی

در آزمایش‌های اولیه، رویکرد توسعه‌یافته این محققان، تبدیل پلی‌استایرن به تولوئن را با گزینش‌پذیری بیش از ۹۹ درصد و بازده تولوئن ۸۳.۵ درصد امکان‌پذیر کرد. نکته قابل‌توجه این است که این روش همچنین به ۵۳ درصد کاهش انتشار کربن در مقایسه با راهبردهای فعلی برای تولید تولوئن منجر شد.

ژانگ گفت: معتقدیم که این راهبرد هیدروژنولیز کاتالیزوری متوالی، مسیری امیدوارکننده برای بازیافت مجدد پلاستیک‌های زباله به خوراک پتروشیمی ارائه می‌دهد.  افزون بر تحقیق فعلی، در حال تلاش برای تغذیه‌ جامد مداوم هستیم تا زمان‌های عملیات طولانی‌تر و تبدیل پلاستیک در مقیاس بزرگتر را امکان‌پذیر کنیم. به‌طور گسترده‌تر، خواص منحصربه‌فرد کاتالیزورهای تک اتمی در هیدروژنولیز پلاستیک می‌تواند به تغییر شکل نحوه‌ طراحی تبدیل پلاستیک کاتالیزوری کمک کند.

به نقل از سایت فیز، در آینده، راکتور طراحی شده این محققان می‌تواند بهبود یافته و تطبیق داده شود تا تبدیل پلی‌استایرن به سایر مواد شیمیایی یا سوخت‌ها را امکان‌پذیر کند. اگر این روش در محیط‌های واقعی به‌کار گرفته شود، در نهایت می‌تواند به کاهش آلودگی پلاستیک روی زمین کمک کند.

ژانگ افزود: تحقیقات آینده ما بر توسعه کاتالیزورهای تک اتمی با گزینش‌پذیری افزایش یافته برای هیدروژنولیز پلاستیک، با هدف کنترل بهتر توزیع محصول، متمرکز خواهد بود و هدف ما بررسی بیشتر طرح‌های راکتور بستر ثابت متوالی مقیاس‌پذیر برای پشتیبانی از زمان‌های عملیاتی طولانی‌تر و توان عملیاتی بالاتر پلاستیک است.

یافته‌های این تحقیق در مقاله‌ای در مجله «نانوفناوری طبیعت» (Nature Nanotechnology) منتشر شده است.

انتهای پیام