Trasformare i rifiuti di plastica in combustibile: gli scienziati sviluppano una tecnologia di conversione catalitica a temperatura ambiente, risolvendo la sfida globale del riciclaggio della plastica clorurata
Nel 2023, durante la sua ricerca post-dottorato all'estero, Zhang Wei ha pubblicato il primo-articolo scritto inScienzasulla scomposizione della plastica in combustibile liquido. Due anni dopo, nel 2025, ora ricercatore presso la sua alma mater East China Normal University, ha pubblicato un altro primo-articolo scritto (anche come co-autore corrispondente) inScienza. Questa volta, lui e i suoi collaboratori provenienti dalla Cina e dall'estero sono riusciti a convertire con successo la plastica in benzina-trasformando-rifiuti misti di plastica difficilmente{3}degradabili in benzina di alta-qualità in un unico passaggio.
A 30 gradi, la tecnologia raggiunge un tasso di conversione del 95% per tubi in polivinilcloruro (PVC) morbido e del 99% per tubi in PVC rigido e fili in PVC. Ciò consente di convertire i rifiuti di plastica tossici in combustibile tramite un processo a basso- consumo energetico condotto a temperatura ambiente e pressione atmosferica, riducendo il consumo di energia di oltre il 70%.
Johannes Lercher, co-autore corrispondente dell'articolo e membro sia della National Academy of Engineering degli Stati Uniti che della European Academy of Sciences, ha osservato: "Questa tecnologia è come trovare una 'forbice chimica' per i rifiuti di plastica, in grado di tagliare le catene polimeriche in molecole delle dimensioni di benzina-a temperatura ambiente. Fornisce un supporto cruciale per l'economia circolare globale."
Rispetto ai metodi tradizionali di conversione della plastica in carburante, questo nuovo approccio richiede meno energia, meno dispositivi e passaggi ed è adatto per applicazioni industriali su larga-scala. I prodotti risultanti includono componenti chiave di benzina, materie prime chimiche e acido cloridrico, che possono essere utilizzati nel trattamento delle acque, nella lavorazione dei metalli, nei prodotti farmaceutici, nella produzione alimentare e nell'industria petrolifera.
Trasformando in un solo passaggio vari tipi di rifiuti di plastica in prodotti di valore, questo metodo sostiene lo sviluppo di un’economia verde.
Nello studio, Zhang e il suo team hanno mescolato rifiuti di plastica con idrocarburi isoalcani leggeri-un sottoprodotto della raffinazione del petrolio-per produrre idrocarburi della gamma della benzina-, principalmente molecole con da 6 a 12 atomi di carbonio, i principali componenti della benzina. L'acido cloridrico recuperato può essere neutralizzato in modo sicuro e riutilizzato come materia prima, sostituendo potenzialmente diversi percorsi di produzione ad alta-temperatura e ad alta intensità energetica-attualmente utilizzati sul campo.
Le poliolefine rappresentano circa il 50% della produzione globale di plastica, mentre il PVC, un derivato clorurato, costituisce un altro 10%. Il PVC è onnipresente-dai tubi dell'acqua e dalle finestre di casa alle borse in pelle artificiale, ai pavimenti, alle carte bancarie e all'isolamento dei cavi.
Con un elevato contenuto di cloro (circa il 57% in peso), il PVC pone sfide ambientali più gravi quando viene scartato rispetto ad altri polimeri. I metodi tradizionali come l'incenerimento richiedono una declorazione approfondita per prevenire il rilascio di composti clorurati tossici come diossine e policlorobifenili.
In risposta, le agenzie di regolamentazione in Europa e negli Stati Uniti hanno iniziato a rivedere le sostanze-correlate al PVC nel 2023, evidenziando l'urgenza di affrontare l'impatto ambientale del PVC.
In genere, i percorsi di miglioramento chimico che scompongono la plastica in componenti ad elevata{0}}purezza richiedono passaggi separati di declorazione ad alta-temperatura. La strategia di Zhang trasforma il PVC di scarto in idrocarburi e acido cloridrico-senza cloro-in un unico passaggio.
Questo processo consente la conversione catalitica completa di miscele di PVC e poliolefine in un unico passaggio, migliorando significativamente l'efficacia delle tecnologie di conversione precedentemente riportate per le sole poliolefine.
I ricercatori hanno scoperto che il PVC può fungere da fonte di carbocationi, eliminando la necessità di un iniziatore esterno e accelerando la velocità di reazione complessiva. Ad esempio, quando il rapporto tra PVC e polietilene è 1:1, il polimero misto può essere completamente convertito entro 30 minuti, producendo circa il 97% di isoalcani liquidi in peso.
Per dimostrare l'applicabilità del processo ai rifiuti del mondo reale, il team ha convertito vari prodotti in PVC postuso in alcani a temperatura ambiente e pressione atmosferica. I risultati hanno mostrato che i rifiuti in PVC post-uso, inclusi tubi in PVC morbido/duro e fili in PVC, hanno mostrato una reattività simile a 30 gradi.
Nelle applicazioni pratiche, i rifiuti plastici misti possono introdurre vari additivi e impurità nella fase liquida ionica. Questi possono influenzare la velocità di reazione o accumularsi nello strato liquido ionico più denso, ma la fase organica può comunque generare quantità significative di alcani liquidi privi di cloro-e isobutano gassoso entro due ore.
Quando i rifiuti in PVC post{0}}uso sono stati mescolati con materiale rigido per bottiglie in polietilene ad alta densità, è stata ottenuta una conversione solida quasi-quantitativa a 80 gradi, con isobutano come prodotto principale. Sebbene la sproporzione dell'isopentano sia inevitabile in presenza di carbocationi, essa si verifica principalmente nelle prime fasi della reazione.
Circa il 40–66% del prodotto è costituito da isobutano gassoso, che può essere riciclato insieme all'isopentano non reagito come componenti di alchilazione, sottolineando l'efficienza e la sostenibilità del processo.
Questa tecnologia affronta la questione chiave della distribuzione del prodotto convertendo i rifiuti plastici misti in carburante e non viene influenzata dalle impurità o dall’eterogeneità della miscela plastica.
In questo sistema di reazione, il diclorometano diluisce il liquido ionico, riducendo la viscosità e la resistenza al trasferimento di massa locale. Può anche essere completamente recuperato e riutilizzato insieme a tutti i prodotti leggeri attraverso la distillazione.
Nel complesso, questo lavoro offre un processo in un'unica-fase trasformativo e scalabile per il riciclo dei rifiuti misti in PVC e poliolefine. Riducendo il consumo di energia, riducendo le esigenze di attrezzature ed eliminando i passaggi intermedi, migliora significativamente l'efficienza e l'efficacia in termini di costi-riducendo al tempo stesso l'impatto ambientale.
Inoltre, questo metodo in un unico passaggio converte vari rifiuti di plastica in prodotti di alto valore con una qualità migliore, ponendo le basi per applicazioni su scala industriale.
Come accennato, Zhang Wei è il primo autore dell'articolo e Johannes Lercher, uno degli autori co-corrispondenti, è stato il suo consulente post-dottorato negli Stati Uniti. Durante il suo periodo all'estero, Zhang ha guidato progetti sulla degradazione dei rifiuti plastici finanziati dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e sull'idrogenazione della CO2 per la sintesi di combustibili con alcol multi-carbonio sponsorizzati da Chevron, contribuendo con soluzioni chiave per l'uso efficiente delle risorse di carbonio nella catalisi industriale.
Ora alla guida del suo gruppo di ricerca presso la East China Normal University, Zhang si concentra su quattro aree principali:
Valorizzazione delle risorse di carbonio di scarto (plastica/biomassa) attraverso tecnologie di accoppiamento termico, fotonico, elettrochimico e catalitico.
Cracking catalitico di idrocarburi paraffinici pesanti e alchilazione di alcani leggeri per innovare la produzione standard di benzina.
Conversione catalitica di molecole C1 (CO2/CO) in vettori energetici ad alta-densità.
Sviluppo di reazioni e sistemi catalitici che utilizzano l'acqua come fonte e mezzo di idrogeno.
Secondo l'università, Zhang promuoverà ulteriormente l'industrializzazione della tecnologia catalitica verde attraverso collaborazioni pilota con aziende petrolchimiche. Sfrutterà inoltre l'intelligenza artificiale per sviluppare sistemi catalitici più efficienti, chiarire i meccanismi a livello atomico-della conversione della plastica e consentire l'innovazione end-to-end dal laboratorio all'industria.