Miljontals ton plast hamnar på deponier varje år. Det är ett stort samhällsproblem och ett ännu större miljöhot.

I USA, mindre än 9% av plastavfallet återvinns. Istället, mer än 75% av plastavfallet hamnar på deponier och upp till 16% bränns, en process som släpper ut giftiga gaser i atmosfären.

Forskare från University of Delaware Center for Plastics Innovation (CPI) har utvecklat en direkt metod för att konvertera plastavfall för engångsbruk-plastpåsar, yoghurtbehållare, plastflaskor och flasklock, förpackningar och mer-till färdiga molekyler för jetbränsle, diesel och smörjmedel.

Arbetet, rapporterade i ett papper i Vetenskapliga framsteg på onsdag, 21 april kl. fokuserar på att använda en ny katalysator och unik process för att snabbt bryta ner dessa svåraste att återvinna plast, känd som polyolefiner. Polyolefiner står för 60 till 70% av all plast som tillverkas idag.

Den UD-utvecklade processen kräver cirka 50% mindre energi än annan teknik, och det innebär inte att koldioxid tillsätts i atmosfären, en utsläppsbesparing jämfört med andra vanliga tekniker. Det kan göras på bara ett par timmar vid låg temperatur, runt 250 grader Celsius. Detta är något högre än temperaturen på 450 grader Fahrenheit du kan använda för att rosta grönsaker eller baka ett smördeg hemma.

Viktigt, UD -teamets metod kan behandla en mängd olika plaster, även när de blandas ihop, ett plus med tanke på hur återvinningsbara material hanteras.

"Kemisk omvandling är den mest mångsidiga och robusta metoden för att bekämpa plastavfall, "sa Dion Vlachos, projektets huvudutredare och Unidel Dan Rich -ordförande i energiprofessor i kemisk och biomolekylär teknik vid UD.

Medförfattare till tidningen inkluderar Sibao Liu, en tidigare UD -postdoktor, nu docent i kemiteknik och teknik vid Tianjin University; och KPI -forskarna Pavel Kots, en UD postdoktor; Brandon Vance, en UD -doktorand; och Andrew Danielson, en högskoleexamen inom kemiteknik.

Skapa färdiga molekyler

UD -forskargruppen använde en kemisk process som kallas hydrokrackning för att bryta ner plastmaterialen till mindre kolmolekyler, tillsatte sedan vätemolekyler i vardera änden för att stabilisera materialet för användning.

Katalytisk sprickbildning är inte ny. Raffinaderier har använt den för att omvandla tung råolja till bensin i åratal.

Forskargruppens metod, dock, gör mer än att bara bryta ner plasten. Det omvandlar också materialet till grenade molekyler som gör att de kan översättas mer direkt till en slutprodukt.

"Detta gör dem färdiga att använda molekyler för högvärdiga smörjmedel eller bränsleapplikationer, "sa Vlachos, som också leder Delaware Energy Institute och Catalysis Center for Energy Innovation vid UD.

Katalysatorn i sig är faktiskt ett hybridmaterial, en kombination av zeoliter och blandade metalloxider.

Zeoliter är kända för att ha egenskaper som gör dem bra på att skapa grenade molekyler. Zeoliter finns i saker som vattenrening eller mjukgöringssystem och tvättmedel för hemmet, där de motverkar mineraler som kalcium och magnesium, gör hårt vatten mjukare och förbättrar tvättprocessen.

Blandade metalloxider, under tiden, är kända för sin förmåga att bryta ner stora molekyler precis rätt mängd utan att överdriva det. Antacida i ditt medicinskåp, till exempel, är en metalloxid som används för att bryta ner, eller neutralisera, syran som orsakar din magbesvär.

"Ensam gör dessa två katalysatorer dåligt. Tillsammans, kombinationen gör magi, smälter ner plasten och lämnar ingen plast bakom, "Sa Vlachos.

Detta ger den KPI-utvecklade metoden en fördel jämfört med nuvarande tekniker som används idag, även om Vlachos betonade att mer arbete krävs för att översätta dessa vetenskapliga metoder till industrin. Ett annat plus:lagets katalysatormaterial används ofta och, därför, ganska billig och riklig.

"Det här är inte exotiska material, så att vi snabbt kan börja tänka på hur vi använder tekniken, "sa han. Han och Liu har lämnat in ett provisoriskt patent på den nya bi-katalysatorn och den unika metoden genom UD:s kontor för ekonomisk innovation och partnerskap.

Hållbara lösningar, cirkulär ekonomi

Att minska plastavfall genom att kemiskt omvandla det till bränslen kan spela en kraftfull roll för att driva en cirkulär ekonomi, där material återvinns till något nytt i slutet av deras livslängd, istället för att kastas. De återvunna komponenterna kan användas för att göra samma sak igen eller, när det gäller bränslen, cyklas in i produkter med högre värde-vilket skapar både ekonomiska och miljömässiga vinster.

"Detta innovativa katalytiska tillvägagångssätt är ett betydande framsteg i vår strävan efter depolymeriseringsprocesser som involverar mindre energiintensiva vägar och genererar mycket specifika nedbrytningsmål, sa CPI -chefen LaShanda Korley, Framstående professor i materialvetenskap och teknik och kemi- och biomolekylär teknik. "Denna grundläggande förståelse öppnar en ny väg mot valorisering av plastavfall."

För Andrew Danielson, en UD -chef inom kemiteknik som är involverad i projektet, de potentiella miljöfördelarna med plastomvandling är spännande.

"Plastavfall är en allvarlig miljöfråga. Jag tror att denna forskning kan bidra till bättre metoder för återanvändning av plast, "sa Danielson, vars bidrag till arbetet inkluderade verifiering av data som samlats in under projektet genom att reproducera experimenten.

Efter examen i maj, Danielson kommer att sätta denna forskningserfarenhet i arbete inom den kemiska industrin. Han har redan fått ett jobb i processkontroller, en del av tillverkningsprocessen som innefattar kontroll av variabler, som temperatur, tryck och konduktivitet, bland annat.

Nästa steg i KPI -forskningen inkluderar att utforska vilken annan plast teamets metod kan behandla och vilka produkter det kan göra. Att börja, Vlachos sa att laget hoppas kunna utöka samarbetet med kollegor över campus och i Center for Plastics Innovation för att utforska andra vägar för att göra värdefulla produkter genom att eliminera avfall.

"När denna cirkulära ekonomi går igång, världen kommer att behöva göra färre originalplaster eftersom vi kommer att återanvända material som tillverkats idag i framtiden, " han sa.

Ett annat mål är att utveckla metoder för att förbättra själva återvinningsprocessen.

"Vi vill använda grön el för att driva den kemiska bearbetningen som är involverad i att göra nya saker. Vi är väldigt långt borta för närvarande från att se detta, men det är dit vi är på väg under de kommande 10 till 20 åren, "Sa Vlachos.