تبدیل زباله های پلاستیکی مخلوط به هیدروژن پاک

یک بطری نوشابه، یک کیسه خرید و یک روکش سپر خودرو را تصور کنید که همگی روی هم تلنبار شده‌اند و قرار است راهی محل دفن زباله شوند. جای آن‌ها آنجا نیست. این مواد سرسخت‌اند، در برابر جداسازی مقاومت می‌کنند و تا امروز همین سرسختی یکی از دلایلی بوده که تنها بخش بسیار کوچکی از پلاستیک‌ها واقعا بازیافت می‌شود: حدود ۹ درصد بازیافت، ۷۹ درصد دفن و ۱۲ درصد سوزانده می‌شود.

پژوهشگران دانشگاه UCLA Samueli و دانشگاه Ewha Womans ایده متفاوتی دارند: با این آشفتگی مانند یک خوراک صنعتی برخورد کنیم. به جای جداسازی دشوار و زمان‌بر انواع پلاستیک، مخلوطی از PET، PE و PP را وارد یک راکتور کنیم و از آن هیدروژن به دست آوریم. کلید این کار، تیمار حرارتی قلیایی یا ATT است؛ یک فرایند شیمیایی که در آن هیدروکسید سدیم داغ، هیدروژن را از زنجیره‌های کربنی جدا می‌کند و در عین حال کربن را به جای رهاسازی به شکل دی‌اکسید کربن، به صورت یک ماده معدنی جامد به دام می‌اندازد.

این روش کار می‌کند. در آزمایش‌های آزمایشگاهی، این فرایند از مخلوط‌های جداسازی‌نشده، جریان‌های هیدروژنی با خلوص بیش از ۹۰ درصد تولید کرد. نکته بهتر این است که این کار در شرایطی بسیار ملایم‌تر از گازی‌سازی بخار سنتی انجام می‌شود، یعنی در دمایی حدود ۳۰۰ تا ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد پایین‌تر؛ موضوعی که مصرف انرژی و فشار وارد بر تجهیزات را کاهش می‌دهد.

چرا PET در ابتدا هیدروژن بیشتری نسبت به پلی‌اتیلن یا پلی‌پروپیلن آزاد کرد؟ پاسخ در شیمی نهفته است. PET از قبل دارای پیوندهای اکسیژن‌دار است که واکنشگرهای قلیایی می‌توانند به آن‌ها حمله کنند. اما PE و PP عمدتا از پیوندهای قوی کربن-هیدروژن تشکیل شده‌اند و به سادگی هیدروژن از دست نمی‌دهند. پژوهشگران این مشکل را با یک پیش‌تیمار کوتاه اکسیداسیون حرارتی حل کردند: حرارت‌دهی سریع در هوا که گروه‌های اکسیژن‌دار را به زنجیره‌های پلیمری متصل می‌کند. این جایگاه‌های تازه، در مرحله ATT به نقاط ورود هیدروکسید سدیم تبدیل می‌شوند.

بیشتر کربن موجود در پلاستیک‌ها وارد هوا نمی‌شود. هیدروکسید سدیم، کربنی را که هنگام تجزیه آزاد می‌شود جذب کرده و آن را به کربنات سدیم جامد تبدیل می‌کند. پس از تیمار، بیش از سه چهارم کربن اولیه پلاستیک‌ها در نمک‌های کربنات پایدار یا در باقی‌مانده‌های آلی مایع باقی ماند. کمتر از ۱۳ درصد وارد فاز گازی شد و انتشار مستقیم دی‌اکسید کربن ناچیز بود. سپس یک مرحله ساده بازیابی می‌تواند کربنات سدیم را به کربنات کلسیم تبدیل کند؛ یک مخزن معدنی دائمی که صنعت همین امروز نیز از آن استفاده می‌کند.

این روش در حالی هیدروژن با خلوص بالا تولید می‌کند که بخش عمده کربن خوراک را به شکل یک ماده معدنی بی‌ضرر تثبیت می‌کند؛ دستاوردی کم‌نظیر برای انرژی پاک و مدیریت پسماند در یک فرایند واحد.

روش‌های پیشین در دمای پایین، مانند فوتورفرمینگ خورشیدی یا مسیرهای الکتروشیمیایی، معمولا فقط برای پلاستیک‌های اکسیژن‌دار مانند PET کارایی دارند و PE و PP را کنار می‌گذارند؛ در حالی که همین دو بخش بزرگی از جریان پسماند پلاستیکی را تشکیل می‌دهند. گازی‌سازی دمای بالا می‌تواند خوراک‌های مخلوط را پردازش کند، اما هزینه زیست‌محیطی آن انتشار دی‌اکسید کربن است. ATT نخستین رویکردی است که نشان داده می‌تواند هم‌زمان با هر سه چالش روبه‌رو شود: پلاستیک جداسازی‌نشده، پلی‌الفین‌های مقاوم و انتشار کربن.

چه کسانی هدایت این پژوهش را بر عهده داشتند؟ آه-هیونگ «آلیسا» پارک از UCLA Samueli و وو-جه کیم از دانشگاه Ewha نویسندگان مسئول مشترک این مطالعه هستند؛ پژوهشی که در نشریه Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است. آن‌ها در ابتدا ATT را برای زیست‌توده‌هایی مانند جلبک دریایی توسعه داده بودند و اکنون آن را برای ارزش‌آفرینی از پسماند پلاستیکی و تبدیل آن به سوختی مفید سازگار کرده‌اند.

آیا این فناوری برای کارخانه‌ها آماده است؟ هنوز نه. شواهد آزمایشگاهی قانع‌کننده است، اما این روش پیش از آنکه بتواند با مسیرهای رایج بازیافت پلاستیک یا تولید هیدروژن رقابت کند، به مقیاس‌پذیری مهندسی، بهینه‌سازی عملکرد و یک مدل اقتصادی شفاف نیاز دارد. هزینه‌ها، قابلیت بازیافت کاتالیست و ردپای انرژی مرحله پیش‌تیمار باید با دقت ارزیابی شوند.

با این حال، محل‌های دفن زباله را به شکلی تازه تصور کنید: نه فقط مکان‌هایی برای دفن مشکل، بلکه ذخایری که می‌توان از آن‌ها برای تولید هیدروژن پاک بهره گرفت. این همان امکانی است که این پژوهش پیش روی ما می‌گذارد؛ و چالش بعدی اثبات این است که آیا می‌تواند با سرعت و مقیاس جریان مدرن پسماندها کار کند یا نه.