Καθαρό υδρογόνο από πλαστικά απόβλητα με οξύ μπαταριών και ηλιακή ενέργεια
Επιστήμονες ανέπτυξαν μια μέθοδο μετατροπής πλαστικών αποβλήτων σε καθαρό υδρογόνο, χρησιμοποιώντας ηλιακή ενέργεια και οξύ από παλιές μπαταρίες αυτοκινήτων.
Η διαδικασία «ενός δοχείου» μετασχηματίζει πλαστικά δύσκολα ανακυκλώσιμα σε πολύτιμες βιομηχανικές χημικές ουσίες και καθαρό καύσιμο, δημιουργώντας δυνητικά ένα κυκλικό σύστημα αναβάθμισης που αντιμετωπίζει ταυτόχρονα πολλαπλές προβληματικές ροές αποβλήτων, αναφέρουν οι ερευνητές.
Ο κόσμος παρήγαγε πάνω από 440 εκατομμύρια τόνους (400 εκατομμύρια μετρικούς τόνους) πλαστικών αποβλήτων το 2025, αλλά λιγότερο από το 10% αυτών ανακυκλώθηκε στην πραγματικότητα. Η πρόκληση έγκειται στον τεράστιο αριθμό διαφορετικών πλαστικών που χρησιμοποιούμε. Κάποια, όπως το πολυπροπυλένιο και το πολυαιθυλένιο, μπορούν εύκολα να λιώσουν και να επαναδιαμορφωθούν, ενώ άλλα απαιτούν ειδικές χημικές διεργασίες για να διασπάσουν τη δομή του πολυμερούς στα επιμέρους χημικά δομικά στοιχεία (γνωστά ως μονομερή).
Τα πολυμερή συμπύκνωσης όπως το τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο (PET, που χρησιμοποιείται συχνά για τη συσκευασία τροφίμων και ποτών), η πολυουρεθάνη (PU, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε αφρώδη μαξιλάρια, στρώματα και μόνωση) και το νάιλον ανήκουν σε αυτήν την τελευταία κατηγορία. Μια χημική αντίδραση μεταξύ δύο διαφορετικών μονομερικών μονάδων απελευθερώνει νερό για να δημιουργήσει δεσμούς μεταξύ αυτών των θραυσμάτων, σχηματίζοντας μια μακριά εναλλασσόμενη αλυσίδα πολυμερούς. Αυτοί οι δεσμοί μπορούν αργότερα να σπάσουν προσθέτοντας νερό πίσω στο μόριο, απελευθερώνοντας τα μονομερικά δομικά στοιχεία και διασπώντας το πλαστικό.
Στη νέα μελέτη, οι ερευνητές προχώρησαν ένα βήμα παραπέρα – όχι μόνο ανακτώντας τα μονομερή, αλλά και αναβαθμίζοντας τα πλαστικά απόβλητα σε άλλα πολύτιμα χημικά προϊόντα.
Η ομάδα έβαλε στόχο το υδρογόνο, μια πράσινη πηγή ενέργειας και μια σημαντική βιομηχανική πρώτη ύλη, και ανέπτυξε μια διαδικασία που συνδυάζει την αποπολυμεροποίηση πλαστικών και την παραγωγή υδρογόνου σε έναν ενιαίο αντιδραστήρα. Ενώ και τα δύο βήματα έχουν μελετηθεί ξεχωριστά στο παρελθόν, κανείς δεν τα έχει επιτύχει ποτέ μαζί. Οι ερευνητές ανέφεραν τα ευρήματά τους στο περιοδικό Joule στις 6 Απριλίου.
Οι επιστήμονες ξεκίνησαν με το βήμα της αποπολυμεροποίησης. Εστιάζοντας στο PET, άλεσαν δείγματα πλαστικών μπουκαλιών σε λεπτή σκόνη και τα διέλυσαν σε πυκνό θειικό οξύ. «Το θερμαίνουμε στους 140°C (284°F) και αυτό υδρολύει το πλαστικό πίσω στα μονομερή του», δήλωσε στον Live Science ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης Kay Kwarteng, ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Cambridge. «Για το PET, αυτά είναι αιθυλενογλυκόλη και τερεφθαλικό οξύ», τα οποία είναι και τα δύο πολύτιμες βιομηχανικές χημικές ουσίες, πρόσθεσε.
Ωστόσο, αντί να χρησιμοποιήσουν φρέσκο θειικό οξύ από ένα μπουκάλι, η ομάδα είδε μια ευκαιρία να αξιοποιήσει μια άλλη προβληματική ροή αποβλήτων. «Το θειικό οξύ είναι συστατικό των μπαταριών αυτοκινήτων, αλλά όταν ανακυκλώνονται, ανακτούν μόνο το συστατικό του μολύβδου», είπε ο Kwarteng. «Θα μπορούσαμε να εξάγουμε το οξύ της μπαταρίας και να το χρησιμοποιήσουμε αντ’ αυτού. Δίνει ισχυρά επιχειρήματα για τη βιωσιμότητα».
Το τερεφθαλικό οξύ καθιζάνει βολικά από την αντίδραση καθώς σχηματίζεται, αφήνοντας ένα όξινο μείγμα πλούσιο σε αιθυλενογλυκόλη.
Ωστόσο, το δεύτερο βήμα, που παράγει υδρογόνο από την αιθυλενογλυκόλη, συνήθως χρειάζεται αλκαλικές συνθήκες για να λειτουργήσει. Η αντίδραση που τροφοδοτείται από τον ήλιο διασπά την αιθυλενογλυκόλη σε ακόμη μικρότερα χημικά προϊόντα, αλλά οι ερευνητές έπρεπε πρώτα να σχεδιάσουν έναν νέο καταλύτη που θα παρέμενε σταθερός στο οξύ της μπαταρίας.
Κατέληξαν σε ένα σύστημα μεταλλικού μολυβδαινίου και το πρόσθεσαν απευθείας στο μείγμα. «Μόλις εκθέσουμε τον καταλύτη στο φως, οξειδώνει την αιθυλενογλυκόλη παράγοντας ηλεκτρόνια», είπε ο Kwarteng. «Αυτά τα ηλεκτρόνια μπορούν να μετατρέψουν πρωτόνια», – που υπάρχουν στο όξινο μείγμα – «σε υδρογόνο, και οξειδώνουν την αιθυλενογλυκόλη σε οξικό οξύ».
Το υδρογόνο και το οξικό οξύ που σχηματίζονται σε αυτή τη διαδικασία είναι λιγότερο πολύτιμα από την αιθυλενογλυκόλη, αλλά κρίσιμα η προσέγγιση παρέχει ένα βιώσιμο σημείο εισόδου για άλλες σχετικές χημικές διεργασίες, είπε ο Erwin Reisner, καθηγητής Ενέργειας και Βιωσιμότητας στο Πανεπιστήμιο του Cambridge. «Αντί να παράγουμε υδρογόνο, μπορούμε να υδρογονώσουμε οργανικές ενώσεις», είπε στο Live Science. «Είναι ακριβώς το ίδιο σύστημα, αλλά αντί να παράγεται υδρογόνο, απλώς προσθέτουμε ακόρεστες οργανικές ενώσεις και τις υδρογονώνουμε απευθείας».
Η υδρογόνωση είναι μια σημαντική βιομηχανική αντίδραση που εισάγει υδρογόνο σε διπλό δεσμό, συνήθως χρησιμοποιώντας υδρογόνο που παράγεται από ορυκτά καύσιμα. Σε μια επακόλουθη μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Angewandte Chemie International Edition τη Δευτέρα (4 Μαΐου), οι ερευνητές έδειξαν πώς η νέα τους διαδικασία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την υδρογόνωση αζωτούχων υποστρωμάτων σε σημαντικά φαρμακευτικά δομικά στοιχεία. «Όταν χρησιμοποιούμε πλαστικά για αυτήν την υδρογόνωση, μειώνουμε το αποτύπωμα άνθρακα στο μισό», είπε ο Kwarteng.
Η ομάδα εξετάζει τώρα την προσαρμογή του σχεδιασμού της αντίδρασης στις ανάγκες της βιομηχανίας και σχεδιάζει να δοκιμάσει τη διαδικασία σε έναν αντιδραστήρα ροής – ένα σύστημα που μετατρέπει συνεχώς αντιδραστήρια σε προϊόντα, αντί να παράγει υδρογόνο σε παρτίδες.
Η χρήση τόσων πολλών ανακυκλωμένων αντιδραστηρίων είναι εντυπωσιακή, δήλωσε στον Live Science ο Amit Kumar, ερευνητής καταλύσεων στη Σχολή Χημείας του Πανεπιστημίου του St Andrews. Σημείωσε, ωστόσο, ότι το φωτοχημικό βήμα θα μπορούσε να αποδειχθεί δύσκολο για τη βιομηχανία. «Νομίζω ότι είναι πολύ ενδιαφέρον ότι μπορείς απλώς να χρησιμοποιήσεις αυτό το πλαστικό ως πηγή υδρογόνου και από επιστημονική άποψη είναι πολύ συναρπαστικό ότι μπορείς να χρησιμοποιήσεις ορατό φως», είπε. «Το επόμενο βήμα προς την εμπορευματοποίηση θα είναι η κλιμάκωση και η επίδειξη της διαδικασίας σε ροή».