تبدیل زباله پلاستیکی به سوخت با نمک مذاب کم دما و نوآورانه

یک ظرف نمک داغ، نه کوره‌ای با دماهای سوزان، اکنون در مرکز مسیری شگفت‌انگیز برای تبدیل پلاستیک‌های روزمره به سوخت قرار گرفته است. این روش که پژوهشگران آزمایشگاه ملی اوک ریج و همکارانشان توسعه داده‌اند، از نمک‌های مذاب برای تجزیه پلی‌اتیلن به هیدروکربن‌هایی شبیه بنزین و گازوئیل در دماهای کمتر از ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد استفاده می‌کند.

نمک، شیمی و چرخشی به سوی دمای پایین

پلی‌اتیلن همه‌جا دیده می‌شود: کیسه‌های خرید، فیلم‌های بسته‌بندی، تخته‌های برش و بسیاری از اقلام یک‌بارمصرف. این ماده از نظر شیمیایی بسیار پایدار است و همین ویژگی هم کاربرد گسترده آن را توضیح می‌دهد و هم ماندگاری طولانی‌اش را پس از دور ریخته شدن. روش‌های رایج بازیافت حرارتی، مانند پیرولیز، برای شکستن زنجیره‌های بلند کربنی به مولکول‌های کوچک و مفید به گرمای شدید، معمولا ۴۵۰ تا ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد، نیاز دارند. چنین دمای بالایی به معنای مصرف انرژی زیاد و چالش‌های جدی برای مواد به‌کاررفته در راکتورها و کاتالیزورهاست.

گروه آزمایشگاه ملی اوک ریج مسیر متفاوتی را دنبال کرد. ابتدا مخلوطی از نمک‌های معدنی تا رسیدن به حالت مایع گرم می‌شود. سپس جایگاه‌های کلرید آلومینیوم به این محیط مذاب افزوده می‌شوند. در ادامه پلی‌اتیلن وارد سیستم می‌شود. نمک مایع هم به‌عنوان محیط واکنش و هم به‌عنوان عامل کاتالیزوری عمل می‌کند و شکستن زنجیره‌ها و بازآرایی مولکولی را در دماهایی بسیار پایین‌تر ممکن می‌سازد. در آزمایش‌های آزمایشگاهی، این فرایند حدود ۶۰ درصد محصول شبیه بنزین بر پایه جرم تولید کرد و بخش‌های دیگر نیز به ترکیباتی در محدوده گازوئیل شباهت داشتند.

مزیت این روش سه‌گانه است. نخست اینکه دمای لازم برای شکستن پلاستیک به‌طور غیرمعمولی پایین است. دوم اینکه نمک‌های مذاب نیاز به کاتالیزورهای گران‌قیمت فلزات نجیب را از بین می‌برند. سوم اینکه به هیچ منبع خارجی هیدروژن یا حلال آلی نیاز نیست. در کنار هم، این ویژگی‌ها رویکردی از نظر شیمیایی ساده‌تر و در صورت مقیاس‌پذیری، بالقوه ارزان‌تر برای بهره‌برداری ایجاد می‌کنند.

یافته‌های گروه در سطح اتمی

برای فهم اینکه چرا نمک کار می‌کند، باید دید چه اتفاقی برای زنجیره‌های پلیمری می‌افتد. پلی‌اتیلن از زنجیره‌های بلند کربن و هیدروژن تشکیل شده است. نمک مذاب حاوی آلومینیوم، جایگاه‌های بسیار اسیدی ایجاد می‌کند که می‌توانند تشکیل مراکز کربنی با بار مثبت را القا کنند. پس از شکل‌گیری این کربوکاتیون‌ها، زنجیره آسیب‌پذیر می‌شود و می‌تواند به قطعات هیدروکربنی کوچک‌تر که در سوخت‌ها رایج‌اند، تجزیه شود.

پژوهشگران برای ردیابی این دگرگونی‌ها از نشان‌گذاری با دوتریوم استفاده کردند. دوتریوم، ایزوتوپ سنگین‌تر هیدروژن، در مطالعات واکنشی یک ردیاب بسیار کارآمد است. پراکندگی نوترونی در منبع نوترونی اسپالاسیون آزمایشگاه ملی اوک ریج به گروه کمک کرد حرکت و بازتوزیع اتم‌های هیدروژن را در جریان تجزیه دنبال کند، زیرا نوترون‌ها نسبت به عناصر سبک مانند هیدروژن و ایزوتوپ‌های آن حساسیت بالایی دارند.

اندازه‌گیری‌های مکمل در منبع پیشرفته نور آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، با استفاده از طیف‌سنجی پرتو ایکس نرم، تغییرات در جایگاه‌های آلومینیومی را بررسی کرد. این آزمایش‌ها نشان دادند که واسطه‌های غنی از الکترون شکل می‌گیرند و با آلومینیوم برهم‌کنش دارند؛ یافته‌ای که از تصویری سازوکاری پشتیبانی می‌کند که در آن آلومینیوم با واسطه‌های آروماتیک گذرا یا کربوکاتیونی هماهنگ می‌شود و مسیر واکنش را هدایت می‌کند.

شواهد تحلیلی و تکرارپذیری

این گروه یافته‌های طیف‌سنجی را با رزونانس مغناطیسی هسته‌ای، پراش پرتو ایکس، کروماتوگرافی گازی همراه با طیف‌سنجی جرمی و مدل‌سازی محاسباتی تقویت کرد. مجموع این روش‌ها روشن کرد که چرا زنجیره‌های ساده‌تر پلی‌اتیلن با احتمال بیشتری مولکول‌های محدوده بنزین تولید می‌کنند، در حالی که پلیمرهای شاخه‌دارتر یا پیچیده‌تر به بخش‌های سنگین‌تر و شبیه گازوئیل منجر می‌شوند.

یک سامانه نوین مبتنی بر نمک مذاب، پسماند پلی‌اتیلن را به سوخت‌هایی شبیه بنزین و گازوئیل برای حمل‌ونقل و تولید صنعتی تبدیل می‌کند. 

چرا دهه‌ها پژوهش درباره نمک مذاب اهمیت داشت

نمک‌های مذاب در شیمی پدیده‌ای تازه نیستند. کار آزمایشگاه ملی اوک ریج با این مواد دست‌کم به دهه ۱۹۶۰ بازمی‌گردد، زمانی که راکتورهای نمک مذاب برای کاربردهای هسته‌ای آزمایش شدند. آن سرمایه‌گذاری‌های تاریخی، تخصصی عمیق در زمینه کار با سامانه‌های نمکی، شناسایی آن‌ها و مدل‌سازی‌شان در شرایط دشوار ایجاد کرد. همین پیشینه زمانی سودمند شد که دای و همکارانش شیمی نمک مذاب را برای تبدیل پلیمرها به‌کار گرفتند.

نمک‌های مذاب می‌توانند شیمی‌های خورنده و قدرت یونی بالا را تحمل کنند؛ بنابراین در شرایطی پایدار می‌مانند که حلال‌های آلی یا کاتالیزورهای فاز گازی با مشکل روبه‌رو می‌شوند. اگر روش فعلی بتواند به فرایندهای پیوسته مهندسی شود، پایداری محیط نمکی می‌تواند طراحی راکتور را ساده‌تر کند و برخی از موانع مقیاس‌پذیری را که فناوری‌های تبدیل حرارتی را گرفتار می‌کنند، کاهش دهد.

با این حال، موانع عملی همچنان وجود دارد. نمک حاوی آلومینیوم آب جذب می‌کند و این رفتار رطوبت‌دوست، پایداری را تضعیف می‌کند. گروه پژوهشی در حال بررسی راهبردهای محصورسازی و فرمولاسیون‌های نمکی مقاوم در برابر جذب رطوبت است؛ احتمالا از طریق افزودن اجزای هالوژنی یا لایه‌های محافظ مبتنی بر کربن که جداسازی فاز و مدیریت مراحل پایین‌دستی را بهبود می‌دهند.

اثر بالقوه و چشم‌انداز صنعتی

اگر این شیمی از ارزیابی‌های مهندسی سربلند بیرون بیاید، پیامدهای آن قابل توجه خواهد بود. پلی‌اتیلن فراوان‌ترین پلاستیک کالایی و یکی از اجزای ثابت جریان‌های پسماند شهری است. تبدیل این پلیمر به مایعات هیدروکربنی با ارزش افزوده می‌تواند خوراکی برای تولید مواد شیمیایی یا سوخت‌های ترکیبی حمل‌ونقل فراهم کند، وابستگی به خوراک‌های فسیلی بکر را کاهش دهد و مسیری برای بازگشت برخی انواع پسماند پلاستیکی به چرخه مصرف صنعتی ایجاد کند.

اقتصاد این روش روی کاغذ امیدوارکننده به نظر می‌رسد: سامانه کاتالیزوری به‌جای فلزات نجیب گران‌قیمت بر نمک‌های آلومینیومی ارزان تکیه دارد و دمای پایین‌تر نیز نیاز انرژی را کاهش می‌دهد. این گروه برای ثبت اختراع این فناوری اقدام کرده و اعلام کرده است که گام‌های بعدی، اجرای پایلوت‌هایی است که بتوانند عملکرد پیوسته و مدیریت پایدار نمک را در شرایط واقعی خوراک نشان دهند.

دیدگاه کارشناس

«این رویکرد از آن جهت برجسته است که محیط واکنش را نه یک ظرف منفعل، بلکه یک مشارکت‌کننده فعال در نظر می‌گیرد»، دکتر النا ریوس، شیمی‌دان مواد و متخصص تبدیل پسماند به مواد شیمیایی که در این پژوهش مشارکت نداشته است، می‌گوید. «محیط‌های نمک مذاب می‌توانند چشم‌اندازهای اسید و باز و هماهنگی یونی غیرمعمولی فراهم کنند که در پیرولیز فاز گازی به‌سادگی در دسترس نیست. چالش اصلی، طراحی راهکارهای مهندسی است که نمک‌ها را در مقیاس صنعتی خشک و قابل کنترل نگه دارد.»

دکتر ریوس یک نکته عملی را نیز اضافه می‌کند: «آزمون‌های پایلوت با خوراک واقعی پسماند شهری ضروری است. پلاستیک‌های مخلوط، آلاینده‌ها و افزودنی‌ها شیمی واکنش و ترکیب محصول را تغییر می‌دهند. اگر گروه بتواند با ورودی‌های واقعی انتخاب‌پذیری را حفظ کند، این فرایند می‌تواند تحول‌آفرین باشد.»

جمع‌بندی

کار هدایت‌شده توسط آزمایشگاه ملی اوک ریج، مسیری قابل تصور و از نظر شیمیایی ظریف را برای تبدیل پلی‌اتیلن به هیدروکربن‌های شبیه سوخت با استفاده از نمک‌های مذاب آلومینیومی در دماهایی غیرمعمول پایین نشان می‌دهد. مطالعات تحلیلی، شیمی کربوکاتیونی هدایت‌شده با آلومینیوم را عامل کلیدی معرفی می‌کنند و این رویکرد از کاتالیزورهای گران‌قیمت و منابع هیدروژن بی‌نیاز است. با این حال، حساسیت به آب و پیچیدگی‌های وارد کردن پسماند پلاستیکی واقعی به راکتور همچنان مانع‌هایی عملی به شمار می‌آیند.

اگر راهکارهای مهندسی بتوانند نمک‌ها را مدیریت کنند و فعالیت کاتالیزور را در عملیات پیوسته حفظ کنند، تبدیل با نمک مذاب می‌تواند به یکی از ابزارهای مجموعه بزرگ‌تر فناوری‌های تبدیل پسماند به منبع تبدیل شود. این روش راه‌حل واحد بحران زباله پلاستیکی نخواهد بود، اما می‌تواند بخشی از پلی‌اتیلن را از دفن‌گاه یا زباله‌سوز به خوراکی قابل استفاده مجدد برای صنعت منتقل کند.

پژوهشگران آزمایشگاه ملی اوک ریج و نهادهای همکار همچنان در حال بهینه‌سازی شیمی این فرایند و ارزیابی مسیرهای مقیاس‌پذیری هستند. ترکیب دهه‌ها دانش درباره نمک مذاب با ابزارهای تحلیلی مدرن، مسیر تازه‌ای گشوده است که با شدت گرفتن تلاش جهانی برای بستن حلقه‌های مواد، ارزش دنبال کردن دارد.