Förvandla plastavfall till bränsle: Forskare utvecklar rums-Temperature Catalytic Conversion Technology, som löser den globala utmaningen med klorerad plaståtervinning
2023, under sin postdoktorala forskning utomlands, publicerade Zhang Wei en första-författad artikel iVetenskappå att bryta ner plast till flytande bränsle. Två år senare, 2025, numera forskare vid hans alma mater East China Normal University, har han publicerat ytterligare ett-författare (också som med-motsvarande författare) iVetenskap. Den här gången har han och hans medarbetare från Kina och utomlands framgångsrikt omvandlat plast till bensin-och förvandlat hårt-för att-bryta ned blandat plastavfall till bensin av-hög kvalitet i ett enda steg.
Vid 30 grader uppnår tekniken en konverteringsgrad på 95 % för rör av mjuk polyvinylklorid (PVC) och 99 % för hårda PVC-rör och PVC-trådar. Detta gör att giftigt plastavfall kan omvandlas till bränsle via en låg-energiprocess som utförs vid rumstemperatur och atmosfärstryck, vilket minskar energiförbrukningen med över 70 %.
Johannes Lercher, en med-motsvarande författare till artikeln och medlem av både US National Academy of Engineering och European Academy of Sciences, anmärkte: "Denna teknik är som att hitta en "kemisk sax" för plastavfall, som kan klippa polymerkedjor till bensin-molekyler vid rumstemperatur. Den ger ett avgörande stöd för den globala cirkulära ekonomin."
Jämfört med traditionella metoder för att omvandla plast till bränsle kräver den här nya metoden mindre energi, färre enheter och steg och är lämplig för storskaliga industriella tillämpningar. De resulterande produkterna inkluderar nyckelkomponenter av bensin, kemiska råvaror och saltsyra, som kan användas i vattenrening, metallbearbetning, läkemedel, livsmedelsproduktion och petroleumindustrin.
Genom att omvandla olika typer av plastavfall till värdefulla produkter i ett steg, stödjer denna metod utvecklingen av en grön ekonomi.
I studien blandade Zhang och hans team plastavfall med lätta isoalkankolväten-en biprodukt från oljeraffinering-för att producera kolväten från bensin-, främst molekyler med 6 till 12 kolatomer, huvudkomponenterna i bensin. Den återvunna saltsyran kan på ett säkert sätt neutraliseras och återanvändas som råmaterial, vilket potentiellt kan ersätta flera hög-temperatur, energiintensiva-produktionsvägar som för närvarande används på fältet.
Polyolefiner står för cirka 50 % av den globala plastproduktionen, medan PVC, ett klorerat derivat, utgör ytterligare 10 %. PVC finns överallt-från vattenrör och fönster hemma till konstläderväskor, golv, bankkort och trådisolering.
Med en hög klorhalt (ca 57 viktprocent) utgör PVC allvarligare miljöutmaningar när den kasseras jämfört med andra polymerer. Traditionella metoder som förbränning kräver noggrann avklorering för att förhindra utsläpp av giftiga klorerade föreningar som dioxiner och polyklorerade bifenyler.
Som ett svar började tillsynsmyndigheter i Europa och USA granska PVC-relaterade ämnen 2023, och betonade vikten av att ta itu med PVCs miljöpåverkan.
Vanligtvis kräver kemiska uppgraderingsvägar som bryter ner plast till komponenter med hög -renhet, separata dekloreringssteg med hög- temperatur. Zhangs strategi uppgraderar PVC-avfall till klor-fria bränsle-kolväten och saltsyra i ett enda steg.
Denna process möjliggör den fullständiga katalytiska omvandlingen av PVC- och polyolefinblandningar i ett steg, vilket avsevärt förbättrar effektiviteten hos tidigare rapporterade omvandlingsteknologier för enbart polyolefiner.
Forskarna fann att PVC kan fungera som en källa till karbokater, vilket eliminerar behovet av en extern initiator och accelererar den totala reaktionshastigheten. Till exempel, när förhållandet mellan PVC och polyeten är 1:1, kan den blandade polymeren omvandlas fullständigt inom 30 minuter, vilket ger cirka 97 viktprocent flytande isoalkaner.
För att demonstrera processens tillämpbarhet på verklig-världsavfall, omvandlade teamet olika PVC-produkter efter-användning till alkaner vid rumstemperatur och atmosfärstryck. Resultaten visade att PVC-avfall efter-användning, inklusive mjuka/hårda PVC-rör och PVC-trådar, uppvisade liknande reaktivitet vid 30 grader.
I praktiska tillämpningar kan blandat plastavfall införa olika tillsatser och föroreningar i den joniska vätskefasen. Dessa kan påverka reaktionshastigheterna eller ackumuleras i det tätare joniska vätskeskiktet, men den organiska fasen kan fortfarande generera betydande mängder klor-fria flytande alkaner och gasformig isobutan inom två timmar.
När PVC-avfall efter-användning blandades med styvt hög-polyetenflaskmaterial, uppnåddes nästan-kvantitativ fast omvandling vid 80 grader, med isobutan som huvudprodukt. Även om disproportionering av isopentan är oundviklig i närvaro av karbokater, inträffar det huvudsakligen i de tidiga stadierna av reaktionen.
Cirka 40–66 % av produkten är gasformig isobutan, som kan återvinnas tillsammans med oreagerad isopentan som alkyleringskomponenter, vilket understryker processens effektivitet och hållbarhet.
Denna teknik tar itu med nyckelfrågan med produktdistribution vid omvandling av blandat plastavfall till bränsle och förblir opåverkat av föroreningar eller heterogenitet i plastblandningen.
I detta reaktionssystem späder diklormetan den joniska vätskan, vilket minskar viskositeten och det lokala massöverföringsmotståndet. Den kan också helt återvinnas och återanvändas tillsammans med alla lätta produkter genom destillation.
Sammantaget erbjuder detta arbete en transformativ och skalbar enkel-process för återvinning av blandat PVC- och polyolefinavfall. Genom att sänka energiförbrukningen, minska utrustningsbehoven och eliminera mellanliggande steg, förbättrar det effektiviteten och kostnadseffektiviteten avsevärt- samtidigt som miljöpåverkan minskar.
Dessutom omvandlar den här enstegsmetoden olika plastavfall till hög-produkter med förbättrad kvalitet, vilket lägger grunden för tillämpningar i industriell-skala.
Som nämnts är Zhang Wei den första författaren till uppsatsen, och Johannes Lercher, en av de med-motsvarande författarna, var hans postdoktorala rådgivare i USA. Under sin tid utomlands ledde Zhang projekt om nedbrytning av plastavfall finansierat av det amerikanska energidepartementet och om CO2-hydrering för multi-kolalkohol för bränslesyntes, med hjälp av che-carbon inom industriell katalys.
Zhang, som nu leder sin forskargrupp vid East China Normal University, fokuserar på fyra huvudområden:
Valorisering av avfall av kolresurser (plast/biomassa) genom termiska, fotoniska, elektrokemiska och katalytiska kopplingsteknologier.
Katalytisk krackning av tunga paraffinkolväten och alkylering av lätta alkaner för att förnya standard bensinproduktion.
Katalytisk omvandling av C1-molekyler (CO2/CO) till energibärare med hög-densitet.
Utveckla katalytiska reaktioner och system som använder vatten som vätekälla och medium.
Enligt universitetet kommer Zhang att ytterligare främja industrialiseringen av grön katalytisk teknologi genom pilotsamarbeten med petrokemiska företag. Han kommer också att utnyttja artificiell intelligens för att utveckla effektivare katalytiska system, belysa mekanismerna på atomär-nivå för plastomvandling och möjliggöra innovation från lab till industri.