Att förvandla plastavfall till användbara produkter genom kemisk återvinning är en strategi för att ta itu med jordens växande problem med plastföroreningar. En ny studie kan förbättra förmågan hos en metod, kallad pyrolys, för att bearbeta svåråtervinnade blandade plaster – som flerlagers livsmedelsförpackningar – och generera bränsle som en biprodukt, sa forskarna.

Pyrolys innebär uppvärmning av plast i en syrefri miljö, vilket gör att materialen bryts ner och skapar nya flytande eller gasbränslen i processen. Nuvarande kommersiella tillämpningar fungerar dock antingen under den nödvändiga skalan eller kan bara hantera vissa typer av plast, sa forskarna.

"Vi har en mycket begränsad förståelse för blandad plastpyrolys", säger Hilal Ezgi Toraman, biträdande professor i energiteknik och kemiteknik vid Penn State. "Att förstå interaktionseffekterna mellan olika polymerer under avancerad återvinning är mycket viktigt medan vi försöker utveckla teknologier som kan återvinna äkta plastavfall."

Forskarna genomförde sampyrolys av två av de vanligaste plasttyperna, lågdensitetspolyeten (LDPE) och polyetylentereftalat (PET), tillsammans med olika katalysatorer för att studera interaktionseffekterna mellan plasterna. De fann att en katalysator kan vara en bra kandidat för att omvandla blandat LDPE- och PET-avfall till värdefulla flytande bränslen. Katalysatorer är material som tillsätts till pyrolys som kan underlätta processen, som att få plasten att brytas ned selektivt och vid lägre temperaturer.

"Den här typen av arbete kan tillåta oss att tillhandahålla riktlinjer eller förslag till industrin", säger Toraman, som är Virginia S. och Philip L. Walker Jr. fakultetsstipendiat vid John och Willie Leone Family Department of Energy and Mineral Engineering vid Penn Stat. "Det är viktigt att upptäcka vilken typ av synergier som finns mellan dessa material under avancerad återvinning och vilka typer av applikationer de kan vara rätt för innan du skalar upp."

Plasten, LDPE och PET, finns vanligtvis i livsmedelsförpackningar, som ofta består av skikt av olika plastmaterial som är konstruerade för att hålla produkterna fräscha och säkra, men som också är svåra att återvinna med traditionella processer eftersom skikten måste separeras, vilket är en dyr process.

"Om du vill återvinna dem måste du i princip separera dessa lager och kanske göra något med de enskilda strömmarna," sa Toraman. "Men pyrolys kan hantera det, så det är ett mycket viktigt alternativ. Det är inte lätt att hitta en sådan teknik som kan acceptera den röriga komplexiteten hos dessa olika plastmaterial."

Det första steget för att utveckla nya kommersiella pyrolysprocesser beror på att ha en bättre mekanistisk förståelse för hur dynamiska plastavfallsblandningar sönderdelas och interagerar, sa forskarna.

Forskarna genomförde pyrolys på LDPE och PET separat och tillsammans och observerade interaktionseffekter mellan de två polymererna under tester med var och en av tre katalysatorer de använde. Forskarna rapporterade resultaten i tidskriften Reaction Chemistry &Engineering .

"Vi såg produkter som kan vara mycket bra kandidater för bensinapplikationer," sa Toraman.

Teamet utvecklade också en kinetisk modell som kunde exakt modellera de interaktionseffekter som observerades under sampyrolys av LDPE och PET med var och en av katalysatorerna. Kinetiska modeller försöker förutsäga ett systems beteende och är viktiga för att bättre förstå varför reaktioner uppstår.

Toramans forskargrupp fokuserar på att göra experiment under väldefinierade och välkontrollerade förhållanden för att förstå interaktionseffekter vid avancerad återvinning av blandad plast och motsvarande reaktionsmekanismer.

"Systematiska och grundläggande studier om att förstå reaktionsvägar och utveckla kinetiska modeller är de första stegen mot processoptimering," sa Toraman. "Om vi ​​inte har våra kinetiska modeller rätt, våra reaktionsmekanismer korrekt, då om vi skalar upp för pilotanläggningar eller storskaliga operationer, kommer resultaten inte att vara korrekta."

Toraman sa att hon hoppas att forskningen leder till ett bättre miljöansvar vid återvinning, bearbetning och utnyttjande av jordens resurser.

En global analys av all massproducerad plast visade att totalt 8,3 miljarder ton ny plast beräknas genereras över hela världen hittills. Från och med 2015 har 79 % av plastavfallet, som innehåller många farliga kemikalier, lämnats att samlas på deponier eller naturliga miljöer med cirka 12 % förbrännt och endast 9 % återvunnet.

"Vad vi än gör är bättre än att inte göra någonting," sa Toraman. "Vi måste inkludera den plasten i ekonomin igen, för att ha en cirkulär ekonomi, annars kommer de bara att hamna på deponier, läcka ut potentiellt giftiga ämnen i marken och vattnet eller förorena haven. Så att göra något, hitta ett värde, är bättre än ingenting. Plast betraktas för närvarande som avfall eftersom vi behandlar dessa värdefulla resurser som avfall."

Other Penn State researchers on this project were Sean Timothy Okonsky, doctoral student in the Department of Chemical Engineering, and J.V. Jayarama Krishna, postdoctoral researcher in the John and Willie Leone Family Department of Energy and Mineral Engineering. + Utforska vidare

How we can turn plastic waste into green energy