7 دقیقه
یک فلز ساده مسئله پیچیده بازیافت را برطرف میکند
یک تیم شیمیدان در دانشگاه نورث‌وسترن کاتالیزوری مبتنی بر نیکل و کمهزینه توسعه داده‌اند که میتواند بازیافت مخلوط پلاستیک‌ها را بسیار عملی‌تر کند. این کاتالیزور جدید بهطور انتخابی پلی‌الفین‌ها — عمدتاً پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن که در بسته‌بندی‌های یکبارمصرف غالب‌اند — را به هیدروکربن‌های مایع مانند روغنها و واکس‌ها تبدیل میکند. این محصولات را میتوان به روان‌کننده‌ها، سوختها و مواد با ارزش بالاتر تبدیل کرد که ممکن است نیاز به تفکیک دستی و کار فشرده پیش‌ازبازیافت را حذف کرده و میزان دفن در محل دفن زباله را کاهش دهد.
کاتالیزور جدید مبتنی بر نیکل میتواند با تبدیل پلاستیکهای یکبارمصرف روزمره به محصولات مفید و بدون نیاز به تفکیک خسته‌کننده، انقلاب در بازیافت ایجاد کند. Credit: Shutterstock
پیش‌زمینه علمی و انگیزه
پلی‌الفین‌ها پرمصرف‌ترین پلاستیک‌ها در جهان‌اند و در بطری‌های شیر، بطری‌های فشاردهی، نایلون‌پوشش‌ها، کیسه‌های زباله و بسیاری اقلام یکبارمصرف یافت می‌شوند. تولید صنعتی این مواد بیش از 200 میلیون تن در سال است، اما نرخ بازیافت آن‌ها پایین است — اغلب در سطح جهانی زیر 10% — زیرا ستون فقرات کربن-کربن این پلیمرها از نظر شیمیایی خنثی و سخت برای شکستن است. بازیافت مکانیکی فعلی معمولاً نیاز به جداسازی دقیق دارد و محصول نهایی را به گرانول‌های کاربری پایینتر تبدیل میکند. فرآیندهای حرارتی مانند پیرولیز یا گازسازی عمل می‌کنند اما نیازمند دماهای بالا (400–700 °C) و انرژی زیادند.
برای غلبه بر این محدودیت‌ها، گروه نورث‌وسترن به هیدروژنولیز روی آوردند؛ فرآیندی کاتالیزوری که با استفاده از هیدروژن پیوندهای کربن-کربن را می‌شکند و مولکول‌های هیدروکربنی کوچک‌تری تولید میکند. روشهای موجود هیدروژنولیز اغلب بر فلزات نجیب کمیاب (پلاتین، پالادیوم) و شرایط عملیاتی بالا متکی‌اند که مقیاس‌پذیری را پرهزینه و ناپایدار میکند. تیم نورث‌وسترن در عوض یک کاتالیزور ارگانو-نیکل تکموقعیتی طراحی کرد که از ترکیبات تجاری نیکل مشتق شده — جایگزینی فراوان در زمین و با هزینه کم است.
چگونه کاتالیزور تکموقعیتی نیکل متفاوت است
برخلاف کاتالیزورهای نانوذرهای که مراکز فعال متعدد و نامشخصی دارند، طراحی تکموقعیتی یک مرکز کاتالیزوری دقیق و تعریف‌شده فراهم میکند، شبیه به یک چاقوی جراحی دقیق. این کنترل ساختاری امکان هیدروژنولیز انتخابی را فراهم می‌آورد: کاتالیزور پیوندهای خاص کربن-کربن در پلیالفینهای شاخه‌دار (به‌عنوان مثال پلی‌پروپیلن ایزوتاکتیک) را ترجیح میدهد در حالی که زنجیره‌های بدون شاخه را تا حد زیادی دست‌نخورده نگه می‌دارد. این شیمی انتخابی شکلی از جداسازی شیمیایی را درون جریانهای ضایعات مخلوط انجام میدهد، نیاز به پیش‌تفکیک دستی را کاهش داده و نسبت به روشهای موجود مصرف انرژی را پایین می‌آورد.
جزئیات آزمایشی و معیارهای عملکرد
در آزمایشگاه کاتالیزور ارگانو-نیکل در دماهایی حدود 100 °C پایینتر و تقریباً نصف فشار هیدروژن گزارش‌شده برای سیستم‌های نیکل‌محور قابل مقایسه عمل کرد. پژوهشگران گزارش می‌دهند که از مقدار کاتالیزور به‌نجومی کمتر استفاده کردند در حالی که تقریباً ده برابر فعالیت بالاتر به‌دست آوردند. این فرآیند خوراک‌های جامد پلی‌الفینی را به روغنها و واکسهای مایع تبدیل میکند که قابلیت جداسازی و ارتقا دارند.
کاتالیزور همچنین پایداری حرارتی و شیمیایی استثنایی نشان داد. یک مانع معمول برای فرایندهای مخلوط‌پلاستیک، آلودگی با پلیوینیلکلراید (PVC) است که در طی تجزیه HCl و دیگر گونههای خورنده را آزاد میکند و بسیاری از کاتالیزورها را غیر فعال میسازد. بهطور شگفت‌آور، کاتالیزور نورث‌وسترن نه تنها تحمل آلودگی PVC را دارد بلکه در آزمایش‌هایی که تا 25% از وزن ضایعات را PVC تشکیل می‌داد، افزایش فعالیت نشان داد. تیم همچنین احیای ساده کاتالیزور را با استفاده از درمان ارزان آلکیل‌آلومینیوم نشان داد که امکان استفاده مجدد مکرر را فراهم میکند.
چرا تحمل PVC اهمیت دارد
آلودگی PVC یکی از دلایل اصلی رد دسته‌ای در بازیافت است. حتی مقدار کمی PVC در یک بار قابل بازیافت میتواند در فرایندهای حرارتی محصولات فرعی خورنده تولید کند و موجب فرستادن کل دسته به محل دفن زباله شود. کاتالیزوری که در حضور PVC به‌خوبی عمل کند میتواند امکان پردازش جریانهای ضایعات پلاستیک شهری مخلوط را که در حال حاضر از منظر اقتصادی غیرقابل‌پرداخت یا غیرقابل بازیافت طبقه‌بندی می‌شوند، باز کند.
کشف‌های کلیدی و پیامدها
- هیدروژنولیز انتخابی با کاتالیزور ارگانو-نیکل تکموقعیتی امکان ارتقای شیمیایی ضایعات مخلوط پلی‌الفین را بدون نیاز به تفکیک دقیق فراهم میکند.
- کاتالیزور در شرایط ملایم‌تری نسبت به بسیاری از گزینه‌ها عمل میکند: دمای پایینتر، فشار H2 کمتر، بارگذاری کاتالیزور کمتر و فعالیت بالاتر.
- این کاتالیزور ضایعات جامد و کم‌ارزش پلی‌الفین را به روغنها و واکسهای مایع تبدیل میکند که قابل پالایش به مواد شیمیایی و سوخت‌های با ارزشتر هستند و جریانهای درآمدی جدیدی از ضایعات ایجاد می‌کنند.
- تسریع غیرمنتظره فعالیت کاتالیتیک در حضور PVC نشان‌دهنده عملکرد مقاوم حتی با خوراک‌های آلوده است که مانع لجستیکی و اقتصادی عمده‌ای برای بازیافت در مقیاس بزرگ را هدف قرار میدهد.
پژوهشگران این نتایج را در Nature Chemistry (2 سپتامبر 2025) منتشر کردند. این کار به‌سرپرستی Tobin Marks و Yosi Kratish در نورث‌وسترن انجام شد، با Qingheng Lai به‌عنوان نویسنده اول، و شامل همکارانی از دانشگاه پردو و آزمایشگاه ملی ایمز بود. تأمین مالی از وزارت انرژی ایالات‌متحده و شرکت The Dow Chemical انجام گرفت.
فناوری‌های مرتبط و چشم‌انداز آینده
رویکرد مبتنی بر نیکل مکمل سایر استراتژی‌های بازیافت شیمیایی — هیدروکراکینگ، پیرولیز و depolymerization کاتالیتیکی — است و یک مسیر کمهزینه و با مصرف انرژی کمتر را به‌طورخاص برای پلی‌الفین‌ها ارائه میدهد. مقیاس‌بندی این فرآیند به ظرفیت صنعتی نیازمند آزمایشهای پایلوت برای اعتبارسنجی طول عمر کاتالیزور، لجستیک جداسازی محصول، تأمین هیدروژن و تأثیرات چرخه عمر گازهای گلخانهای است. ادغام با زیرساختهای بازیافت موجود یا واحدهای پالایش/ارتقا میتواند استقرار را تسریع کند. علاوه بر این، جفت‌سازی این فرآیند با هیدروژن سبز میتواند پروفایل اقلیمی سوختها و مواد شیمیایی تولیدشده را بهبود دهد.
دیدگاه کارشناسان
دکتر النا رویز، شیمیدان مواد و تکنولوژیست بازیافت (نظر فرضی)، اشاره میکند: 'پیشرفت کلیدی در اینجا دقت است: کاتالیزور تکموقعیتی تنظیم‌شده برای برش انتخابی زنجیره‌های پلی‌الفین. این امکان را برای شیمی‌دانان فراهم میکند که ضایعات مختلط و نامنظم را به جریان‌هایی تبدیل کنند که مهندسان شیمی بتوانند آن‌ها را پالایش کنند. تحمل PVC اهمیت ویژه‌ای دارد — این یک گلوگاه متداول برای خوراک‌های شهری و صنعتی را برمی‌دارد. اگر آزمایشهای پایلوت طول عمر و اقتصاد فرایند را تایید کنند، این میتواند تحولی برای چرخه‌ای شدن پلاستیک‌ها باشد.'
نتیجه‌گیری
کاتالیزور نیکل نورث‌وسترن نشان میدهد که فلزات فراوان در زمین، زمانی که در مقیاس مولکولی دقیق مهندسی شوند، میتوانند بازیافت شیمیایی انتخابی و با مصرف انرژی کمتر برای رایج‌ترین پلاستیکهای یکبارمصرف ارائه دهند. با تبدیل ضایعات مخلوط پلی‌الفین به روغنها و واکسهای باارزش و تحمل آلاینده‌هایی مانند PVC، این رویکرد میتواند هزینه‌های تفکیک را کاهش دهد، ورودی به محل‌های دفن را کم کند و از ضایعات درآمد جدیدی ایجاد نماید. گامهای بعدی شامل نمایش‌های مقیاس‌پایلوت، ارزیابی‌های چرخه عمر و برنامه‌ریزی ادغام برای سنجش صلاحیت اقتصادی و منافع زیست‌محیطی در مقیاس تجاری است. این نوآوری گامی مهم در مسیر بازیافت مخلوط پلاستیک در مقیاس وسیع و استراتژی‌های مواد چرخه‌ای محسوب می‌شود.
منبع: sciencedaily
ارسال نظر