Polyetenplaster - i synnerhet den allestädes närvarande plastpåsen som förstör landskapet - är notoriskt svåra att återvinna. De är robusta och svåra att bryta ner, och om de överhuvudtaget återvinns smälts de till en polymergryta som är användbar mest för trall och andra lågvärdiga produkter.

Men en ny process som utvecklats vid University of California, Berkeley och Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) kan förändra allt detta. Processen använder katalysatorer för att bryta de långa polyeten (PE) polymererna i enhetliga bitar - tre-kolmolekylen propen - som är råvaran för att göra andra typer av högvärdig plast, såsom polypropen.

Processen, visserligen i de tidiga utvecklingsstadierna, skulle förvandla en avfallsprodukt – inte bara plastpåsar och förpackningar, utan alla typer av PE-plastflaskor – till en stor produkt med hög efterfrågan. Tidigare metoder för att bryta kedjorna av polyeten krävde höga temperaturer och gav blandningar av komponenter med mycket lägre efterfrågan. Den nya processen kan inte bara minska behovet av fossilbränsleproduktion av propen, ofta kallad propen, utan också bidra till att fylla ett för närvarande ouppfyllt behov av mer propen inom plastindustrin.

"I den mån de återvinns, förvandlas mycket polyetenplast till lågvärdiga material. Du kan inte ta en plastpåse och sedan göra en annan plastpåse med samma egenskaper av den", säger John Hartwig, UC Berkeley's Henry Rapoport ordförande i organisk kemi. "Men om du kan ta tillbaka den polymerpåsen till sina monomerer, bryta ner den i små bitar och repolymerisera den, så istället för att dra ut mer kol ur marken, använder du den som din kolkälla för att göra andra saker - till exempel, polypropen. Vi skulle använda mindre skiffergas för det ändamålet, eller för andra användningar av propen, och för att fylla den så kallade propenluckan."

Polyetenplast utgör ungefär en tredjedel av hela plastmarknaden världen över, med mer än 100 miljoner ton produceras årligen från fossila bränslen, inklusive naturgas som erhålls genom hydraulisk sprickning, ofta kallad skiffergas.

Trots återvinningsprogram – återvinningsbara PE-produkter är betecknade med plastnummer 2 och 4 – återvinns bara cirka 14 % av alla polyetenplastprodukter. På grund av sin stabilitet är polyetenpolymerer svåra att bryta ner till sina beståndsdelar eller depolymerisera, så det mesta av återvinningen innebär att man smälter det och formar det till andra produkter, som trädgårdsmöbler, eller bränner det som bränsle.

Att depolymerisera polyeten och omvandla till propylen är ett sätt att återvinna – det vill säga att producera mer värdefulla produkter från i huvudsak nollvärde avfall, samtidigt som man minskar användningen av fossila bränslen.

Hartwig och hans kollegor kommer att publicera detaljerna om sin nya katalytiska process denna vecka i tidskriften Science .

Två typer av katalysatorer

Hartwig är specialiserad på att använda metallkatalysatorer för att infoga ovanliga och reaktiva bindningar i kolvätekedjor, varav de flesta är petroleumbaserade. Nya kemiska grupper kan sedan läggas till vid dessa reaktiva bindningar för att bilda nya material. Kolvätepolyeten, som vanligtvis förekommer som en polymerkedja av kanske 1 000 etenmolekyler – varje eten består av två kol- och fyra väteatomer – gav teamet en utmaning på grund av dess allmänna icke-reaktivitet.

Med ett anslag från U.S. Department of Energy för att undersöka nya katalytiska reaktioner, kom Hartwig och doktorander Steven Hanna och Richard J. "RJ" Conk på idén att bryta två kol-vätebindningar på polyeten med en katalysator – till en början en iridiumkatalysator och, senare, med platina-tenn och platina-zink-katalysatorer - för att skapa en reaktiv kol-kol dubbelbindning, som skulle fungera som en akilleshäl. Med denna spricka i rustningen av polymerens kol-vätebindningar kunde de sedan riva upp polymerkedjan genom reaktion med eten och två ytterligare katalysatorer som reagerar i samarbete.

"Vi tar ett mättat kolväte - alla kol-kol enkelbindningar - och tar bort några molekyler väte från polymeren för att göra kol-kol dubbelbindningar, som är mer reaktiva än kol-kol enkelbindningar. Några personer hade tittat på det process, men ingen hade uppnått det på en äkta polymer," sa Hartwig. "När du har fått den där kol-kol-dubbelbindningen, använder du en reaktion som kallas olefinmetates, som var föremål för ett Nobelpris 2005, med eten för att klyva vid kol-kol-dubbelbindningen. Nu har du tagit den här långkedjiga polymeren och du har brutit upp den i mindre bitar som innehåller en kol-kol dubbelbindning i slutet."

Tillsats av en andra katalysator, gjord av palladium, möjliggjorde att propenmolekyler (trekolmolekyler) upprepade gånger kunde klippas bort från den reaktiva änden. Resultatet:80 % av polyetenen reducerades till propen.

"När vi har en lång kedja med en kol-kol dubbelbindning i slutet, tar vår katalysator den kol-kol dubbelbindningen och isomeriserar den, ett kol in. Eten reagerar med den initiala isomeriserade produkten för att göra propen och en nästan identisk, bara kortare, polymer med en dubbelbindning i slutet. Och sedan gör den samma sak om och om igen. Den går ett steg in, klyver, går in, klyver, går in och klyver tills hela polymeren skärs till tre kol Från ena änden av kedjan tuggar den bara ner på kedjan och spottar av sig propener tills det inte finns någon kedja kvar."

Reaktionerna genomfördes i en flytande lösning med lösliga eller "homogena" katalysatorer. Forskarna arbetar för närvarande med en process som använder olösliga eller "heterogena" katalysatorer för att uppnå samma resultat, eftersom fasta katalysatorer lättare kan återanvändas.

Gruppen visade att processen fungerar med en mängd olika PE-plaster, inklusive genomskinliga mjölkflaskor, ogenomskinliga schampoflaskor, PE-förpackningar och de hårda svarta plasttopparna som länkar samman aluminiumburkfyrapack. Alla reducerades effektivt till propen, med endast färgämnen som behövde avlägsnas.

Hartwigs labb använde nyligen också innovativ katalys för att skapa en process som förvandlar polyetenpåsar till lim, en annan värdefull produkt. Tillsammans kan dessa nya processer göra ett hack i de växande högarna av plast som hamnar på soptippar, floder och i slutändan haven.

"Båda är långt ifrån kommersialisering," sa han. "Men det är lätt att se hur den här nya processen skulle omvandla den största mängden plastavfall till ett enormt kemiskt råmaterial - med mycket vidareutveckling, naturligtvis."

Andra medförfattare till uppsatsen är Jake Shi, Nicodemo Ciccia, Liang Qi, Brandon Bloomer, Steffen Heuvel, Tyler Wills och professor i kemisk och biomolekylär ingenjörsteknik Alexis Bell från UC Berkeley och Ji Yang och forskaren Ji Su från Berkeley Lab. + Utforska vidare

Ny katalytisk process förvandlar plastpåsar till lim