Den nya metoden, som beskrivs i numret av tidskriften Science den 11 augusti, kan öka de ekonomiska incitamenten för plaståtervinning och öppna en dörr för återvinning av nya typer av plast. Forskarna uppskattar att deras metoder också kan minska utsläppen av växthusgaser från den konventionella produktionen av dessa industrikemikalier med ungefär 60 procent.
Den nya tekniken bygger på ett par befintliga kemiska bearbetningstekniker. Den första är pyrolys, där plaster värms upp till höga temperaturer i en syrefri miljö. Resultatet är pyrolysolja, en flytande blandning av olika föreningar. Pyrolysolja innehåller stora mängder olefiner -- en klass av enkla kolväten som är en central byggsten i dagens kemikalier och polymerer, inklusive olika typer av polyestrar, ytaktiva ämnen, alkoholer och karboxylsyror.
I nuvarande energikrävande processer som ångkrackning producerar kemiska tillverkare olefiner genom att utsätta petroleum för extremt hög värme och högt tryck. I denna nya process återvinner UW-Madison-teamet olefiner från pyrolysolja och använder dem i en mycket mindre energikrävande kemisk process som kallas homogen hydroformyleringskatalys. Denna process omvandlar olefiner till aldehyder, som sedan kan reduceras ytterligare till viktiga industriella alkoholer.
"Dessa produkter kan användas för att göra ett brett utbud av material som är av högre värde", säger George Huber, professor i kemi- och biologisk teknik som ledde arbetet tillsammans med postdoktorn Houqian Li och doktorand Jiayang Wu.
Dessa mer värdefulla material inkluderar ingredienser som används för att göra tvål och rengöringsmedel, såväl som andra mer användbara polymerer.
"Vi är verkligen entusiastiska över konsekvenserna av den här tekniken", säger Huber, som också leder Department of Energy-finansierade Center for the Chemical Upcycling of Waste Plastics. "Det är en plattformsteknik för att uppgradera plastavfall med hjälp av hydroformyleringskemi."
Återvinningsindustrin kan snart anta processen; under de senaste åren har minst 10 stora kemiföretag byggt eller aviserat planer på anläggningar för att tillverka pyrolysoljor från restplast. Många av dem driver pyrolysoljan genom ångkex för att producera lågvärdiga föreningar. Den nya kemiska återvinningstekniken kan ge ett mer hållbart och lukrativt sätt att använda dessa oljor.
"För närvarande har dessa företag inte ett riktigt bra tillvägagångssätt för att uppgradera pyrolysoljan", säger Li. "I det här fallet kan vi få högvärdiga alkoholer värda $1 200 till $6,000 per ton från plastavfall, som bara är värda omkring $100 per ton. Dessutom använder den här processen befintlig teknik och tekniker. Det är relativt lätt att skala upp."
Studien var ett samarbete mellan några olika UW-Madison-avdelningar, säger Huber. Clark Landis, ordförande för Institutionen för kemi och en världsexpert på hydroformylering, föreslog möjligheten att tillämpa tekniken på pyrolysoljor. Kemisk och biologisk teknik Professor Manos Mavarikakis använde avancerad modellering för att ge insikt på molekylär nivå i de kemiska processerna. Och kemi- och biologisk ingenjörsteknik Professor Victor Zavala gav hjälp med att analysera teknikens ekonomi och plastavfallets livscykel.
Nästa steg för teamet är att ställa in processen och bättre förstå vilken återvunnen plast och katalysatorkombinationer som producerar vilka slutliga kemiska produkter.
"Det finns så många olika produkter och så många vägar vi kan följa med den här plattformstekniken", säger Huber. "Det finns en enorm marknad för de produkter vi tillverkar. Jag tror att det verkligen kan förändra plaståtervinningsindustrin."
(resurs av: University of Wisconsin-Madison. "Ny återvinningsprocess kan hitta marknader för "skräp" plastavfall." ScienceDaily. ScienceDaily, 11 augusti 2023.
