Pungile de cumpărături și plăcile albe de tăiat sunt făcute din același material: polietilena, cel mai răspândit plastic de pe planetă și cel mai încăpățânat ocupant al gropilor de gunoi, unde rezistă secole întregi.
Cercetătorii de la Laboratorul Național Oak Ridge (ORNL) al Departamentului Energiei au dezvoltat acum, în laborator, o metodă de a transforma polietilena în combustibili asemănători benzinei și motorinei. Totul se petrece sub 200 de grade Celsius, la temperaturi comparabile cu cele dintr-un cuptor obișnuit de bucătărie.
Metoda combină plasticul cu săruri topite care conțin clorură de aluminiu. Sărurile au un dublu rol: sunt în același timp mediul în care are loc reacția și catalizatorul care declanșează conversia chimică.
Echipa a depus o cerere de brevet pentru tehnologie, iar rezultatele au fost publicate în Journal of the American Chemical Society.
Cum desfac siturile acide lanțurile de plastic
Ca să afle de ce funcționează procesul, cercetătorii au urmărit îndeaproape reacțiile chimice prin care polimerul se transformă în molecule de combustibil.
Cu ajutorul spectroscopiei cu raze X moi și al rezonanței magnetice nucleare, echipa a descoperit că atomii de aluminiu încărcați se leagă de alți trei atomi. Așa se formează situri catalitice puternic acide. Acestea pot ataca lanțurile moleculare lungi din care e alcătuită polietilena și le pot rupe în molecule de hidrocarburi mai mici. Polietilena seamănă cu un șirag uriaș alcătuit din mii de atomi de carbon legați între ei, în timp ce benzina conține doar secvențe scurte, de 7 până la 10 atomi. Sărurile de aluminiu funcționează ca o foarfecă chimică precisă: taie firul lung și inert al plasticului exact la dimensiunea optimă pentru combustibilul lichid.
Alte experimente, bazate pe marcarea izotopică și pe împrăștierea neutronilor, au arătat cum influențează structura polimerului de pornire combustibilul rezultat. Lanțurile polimerice mai simple tindeau să producă compuși asemănători benzinei, iar cele mai complexe generau combustibili asemănători motorinei.
Dacă metoda va putea fi extinsă, în cele din urmă, dincolo de experimentele de laborator, cercetătorii afirmă că ar putea contribui la securitatea energetică a SUA și la consolidarea competitivității industriale.
„Am dezvoltat o metodă eficientă și selectivă de conversie a polietilenei în benzină”, a declarat Liqi Qiu, cercetător postdoctoral la Universitatea din Tennessee, Knoxville (UTK). Qiu a condus majoritatea testelor practice în laboratorul chimistului Sheng Dai, cercetător principal la ORNL și profesor la Universitatea din Tennessee. Dai, specialist de vârf în chimia polimerilor și procese de separare, este coautor corespondent al studiului.
Experimentele au atins un randament de benzină de aproximativ 60%, în condiții de reacție relativ blânde. Tradus în practică, dintr-un kilogram de deșeuri de polietilenă — echivalentul a câteva sute de pungi de unică folosință —, procesul poate genera aproximativ 600 de grame de combustibil lichid, adică în jur de 0,8 litri de carburant direct utilizabil.
Sub 200 de grade: de ce temperatura unui cuptor schimbă ecuația
Una dintre cele mai remarcabile caracteristici ale metodei este cât de puține resurse cere în comparație cu tehnologiile mai convenționale de transformare a plasticului în combustibil.
„Am transformat deșeurile polimerice în combustibili cu valoare adăugată folosind ca mediu de reacție săruri anorganice disponibile în comerț, care asigură siturile catalitice”, a declarat Zhenzhen Yang, cercetător la ORNL și, la rândul său, coautor corespondent al articolului.
„Spre deosebire de tehnicile tradiționale de transformare a polimerilor în combustibil, noul proces nu a necesitat catalizatori din metale nobile, solvenți organici sau hidrogen extern. Este pentru prima dată când sărurile topite au fost folosite ca mediu pentru a produce din deșeuri substanțe chimice cu valoare adăugată ridicată, fără niciun inițiator catalitic sau solvent și la o temperatură sub 200 de grade Celsius”, a adăugat Yang.
Abordările anterioare de transformare a polietilenei în benzină s-au bazat de obicei pe piroliză, un proces care folosește căldură intensă pentru a descompune moleculele mari de polimer în hidrocarburi mai mici. Aceste metode necesitau temperaturi de aproximativ 450–500 de grade Celsius.
Eliminarea acestor cerințe nu înseamnă doar costuri reduse, ci și un proces industrial mult mai sigur: fără riscurile manipulării hidrogenului sub presiune și fără reziduurile toxice lăsate în urmă de solvenții chimici.
De la reactoare nucleare la deșeuri: moștenirea sărurilor topite
ORNL studiază sărurile topite de zeci de ani. În anii 1960, Experimentul cu Reactorul cu Săruri Topite (Molten Salt Reactor Experiment) a demonstrat că amestecurile de săruri topite pot funcționa atât drept combustibil nuclear, cât și ca agent de răcire al reactorului.
Pornind de la această lungă tradiție, Dai a propus folosirea sărurilor topite într-un scop cu totul diferit: transformarea polimerilor reziduali în combustibili utili. Sărurile topite sunt compuși anorganici care pot rămâne stabili chiar și în condiții dure de reacție chimică.
„Sistemul ORNL rezolvă două probleme fundamentale. În primul rând, având un sistem stabil, procesul poate fi extins mult mai ușor la scară mare. În al doilea rând, sistemul anterior avea nevoie de un inițiator ca să declanșeze reacțiile catalitice. Sistemul ORNL, în schimb, nu are nevoie de unul.”, a spus Dai.
Tomonori Saito, de la ORNL, a coordonat proiectul și a contribuit cu expertiza sa în știința polimerilor.
„În acest caz, am abordat polietilena, un polimer de larg consum, folosind sare topită. Încercăm să înțelegem aspectele științifice fundamentale care vor duce la descoperiri și la noi oportunități economice.”, a spus el.
Pentru a înțelege exact ce se petrecea în timpul reacției, a fost nevoie de cercetători din mai multe discipline științifice și de mai multe tehnici analitice avansate.
Reacția, urmărită atom cu atom
La ORNL, Luke Daemen a folosit împrăștierea neutronilor pentru a identifica hidrocarburile formate când au reacționat diferite lanțuri polimerice. Felipe Polo-Garzon a analizat produsele prin cromatografie de gaze cuplată cu spectrometrie de masă, o tehnică folosită pentru separarea și identificarea compușilor chimici individuali.
Când polietilena a interacționat cu un sit catalitic de aluminiu, reacția a produs un ion de carbon încărcat pozitiv. Qiu, Yang și Dai au marcat acest ion cu deuteriu, un izotop al hidrogenului. Așa au putut urmări ce se întâmpla cu el pe măsură ce reacția avansa.
Echipa a folosit și neutroni de la Sursa de Neutroni de Spalație a ORNL pentru a monitoriza hidrogenul din interiorul sistemului.
„Polimerul conține mult hidrogen. Neutronii sunt ideali pentru a distinge elementele ușoare, inclusiv hidrogenul și izotopii săi, cum ar fi deuteriul.”, a spus Dai.
Cercetătorii trebuiau să afle și cum se modificau siturile de aluminiu pe parcursul procesului. Yang s-a deplasat la Sursa Avansată de Lumină a Laboratorului Național Lawrence Berkeley, unde a colaborat cu Min-Jae Kim și Jinhua Guo. Cu ajutorul razelor X moi, cercetătorii au examinat interacțiunile dintre aluminiu și polietilenă atât la nivel atomic, cât și la nivel electronic. Razele X moi sunt deosebit de utile pentru studierea elementelor relativ ușoare, cum e aluminiul.
„Marginea de absorbție a aluminiului s-a deplasat către marginea cu densitate redusă de electroni, ceea ce înseamnă că s-au format unii compuși intermediari bogați în electroni. Am comparat rezultatele cu cele obținute prin alte tehnici și am confirmat că un compus intermediar cu inel aromatic se poate coordona cu aluminiul și poate provoca o schimbare a energiei de legătură.”, a spus Yang.
Această variație a energiei a oferit «amprenta digitală» căutată de echipă: dovada că atomii de aluminiu se legau direct de lanțurile de plastic, slăbindu-le legăturile exact în fracțiunea de secundă în care începea fragmentarea.
Înapoi la ORNL, Bobby Sumpter, de la Centrul pentru Știința Materialelor Nanofazice, a folosit simulări pe computer. Cu ele a studiat schimbările de energie din timpul reacției, inclusiv felul în care s-au format ionii de carbon stabili și cum au fost transferați aceștia în produse hidrocarbonate.
La UTK, Michael Koehler a folosit difracția de raze X in situ pentru a urmări schimbările de fază ale amestecului de reacție pe măsură ce reacția chimică se desfășura. Carlos Alberto Steren a investigat prin rezonanță magnetică nucleară siturile catalitice de aluminiu.
Tao Wang, de la ORNL, a contribuit cu expertiza sa în chimia sărurilor topite. Logan Kearney, tot de la ORNL, a furnizat polimeri de înaltă densitate și a oferit îndrumare de specialitate privind posibilele căi de transformare a acestora în produse cu valoare adăugată mai mare.
Problema rămasă: sarea care atrage apa
„Materialul sursă polimeric este disponibil din abundență în deșeurile de consum, iar sistemul nostru catalitic, sărurile topite de aluminiu, este foarte ieftin. Acest progres poate fi promițător pentru industrie.”, a spus Qiu.
În cele din urmă, cercetarea ar putea lărgi gama de metode disponibile pentru producerea din deșeuri a combustibililor industriali și pentru transport.
Deși e ieftin și activ din punct de vedere chimic, sistemul catalitic pe bază de aluminiu are o limitare importantă. Materialul este higroscopic, adică absoarbe ușor apa, iar această umiditate îi poate reduce stabilitatea.
Cercetătorii vor acum să studieze modalități de confinare a sărurilor topite, eventual cu ajutorul halogenilor sau al unor materiale pe bază de carbon. Soluțiile acestea ar putea facilita separarea și prelucrarea sărurilor și, în același timp, le-ar putea îmbunătăți stabilitatea. Dacă cercetătorii vor reuși să țină umiditatea la distanță, una dintre cele mai grele bariere ale reciclării chimice — consumul uriaș de energie — s-ar putea prăbuși. În loc să ceară cuptoare industriale de 500 de grade, cel mai încăpățânat deșeu al omenirii ar începe să redevină carburant la căldura unui simplu cuptor de bucătărie.
Ce s-a mai descoperit în Știință?
Acest nou tip de beton este mai rezistent și absoarbe CO₂ din aer
Pentru prima dată, oamenii de știință au observat cum sunetul efectuează salturi între stări cuantice
150.000 de tone de deșeuri radioactive au fost aruncate în Atlantic. Zeci de ani mai târziu, încă se poate vedea pericolul
Secretul unei vieți mai lungi ar putea fi ascuns în ADN-ul liliecilor: cum reacționează în fața cancerului
