فرآیند شیمیایی جدید، زباله‌های پلاستیکی تفکیک‌نشده را به هیدروژن خالص تبدیل کرده و کربن را به دام می‌اندازد

یک فرآیند شیمیایی که به تازگی توسعه یافته است، می‌تواند زباله‌های پلاستیکی مخلوط و تفکیک‌نشده را دریافت کرده و مستقیماً به سوخت هیدروژن با خلوص بالا تبدیل کند، در حالی که بخش عمده کربن آن را در مواد معدنی جامد به دام می‌اندازد. این تکنیک بزرگترین گلوگاه در بازیافت جهانی – یعنی نیاز به تفکیک دقیق پلاستیک‌ها بر اساس نوع شیمیایی – را دور می‌زند و همزمان از انتشار گازهای گلخانه‌ای جلوگیری می‌کند.[1][2]

این روش که توسط محققان دانشگاه UCLA و دانشگاه زنان اِوا (Ewha Womans University) کره جنوبی در نشریه «مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم» منتشر شده است، نشان‌دهنده یک تغییر اساسی در رویکرد بازیافت شیمیایی است. به جای تلاش برای ذوب و شکل‌دهی مجدد پلاستیک، این فرآیند پلیمرها را در سطح مولکولی تجزیه می‌کند و در نتیجه یک حامل انرژی پاک و یک محصول جانبی جامد و پایدار تولید می‌شود.[1][2][3][4]

مکانیزمی که این تبدیل را هدایت می‌کند، «تصفیه حرارتی قلیایی» (ATT) نامیده می‌شود. در روش‌های متداول، تجزیه پلاستیک‌های مقاوم نیازمند گرمای شدید است؛ فرآیندی که به عنوان گازسازی با بخار شناخته می‌شود و ناگزیر محتوای کربن پلاستیک را به صورت دی‌اکسید کربن وارد جو می‌کند. روش ATT با وارد کردن سدیم هیدروکسید به راکتور، این مسیر شیمیایی را به طور بنیادی تغییر می‌دهد.[2][3]

هنگامی که گرما اعمال می‌شود، سدیم هیدروکسید به شدت با زباله‌های پلاستیکی واکنش نشان می‌دهد. محیط قلیایی به جای اکسید کردن کربن و تبدیل آن به گاز، کربن را مجبور می‌کند تا با سدیم پیوند برقرار کرده و سدیم کربنات جامد تشکیل دهد. این تله شیمیایی نوآوری اصلی است: این فرآیند اتم‌های هیدروژن را از زنجیره‌های پلیمری جدا می‌کند تا گاز هیدروژن تشکیل شود، در حالی که اتم‌های کربن را در یک ماده معدنی سنگین و پایدار قفل می‌کند.[1][2][5]

داده‌های حاصل از آزمایش‌های آزمایشگاهی کارایی چشمگیری را نشان می‌دهند. گاز هیدروژن تولید شده توسط این واکنش دارای خلوص بیش از ۹۰ درصد است؛ آستانه‌ای که آن را برای استفاده صنعتی یا پیل‌های سوختی با حداقل پالایش بیشتر، مناسب می‌سازد.[3][4]

در بخش جذب کربن، تجزیه و تحلیل پس از واکنش تأیید می‌کند که بیش از ۷۵ درصد کربن موجود در زباله‌های پلاستیکی با موفقیت به صورت کربنات‌های جامد پایدار یا بقایای آلی مایع جذب می‌شود. کمتر از ۱۳ درصد کربن وارد فاز گازی می‌شود و محققان گزارش می‌دهند که انتشار مستقیم کربن در جو در طول واکنش ناچیز است.[1][2][3]

نکته حیاتی این است که این فرآیند در دمایی بین ۳۰۰ تا ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد پایین‌تر از گازسازی با بخار متداول عمل می‌کند. این کاهش چشمگیر در نیاز به انرژی حرارتی، توازن انرژی بالقوه سیستم را تغییر می‌دهد. دمای عملیاتی پایین‌تر به این معنی است که انرژی کمتری برای راه‌اندازی راکتور مصرف می‌شود و ارزش خالص انرژی هیدروژن تولید شده حفظ می‌گردد.[1][5][6]

توانایی این مکانیزم در مدیریت جریان‌های مخلوط است که آن را از نظر عملی مرتبط می‌سازد. بازیافت مکانیکی در حال حاضر تنها حدود ۹ درصد از زباله‌های پلاستیکی جهانی را جذب می‌کند، عمدتاً به این دلیل که پلی‌اتیلن ترفتالات (PET)، پلی‌اتیلن (PE) و پلی‌پروپیلن (PP) در دماهای متفاوتی ذوب می‌شوند و به خوبی با هم ترکیب نمی‌شوند. یک درپوش PP ناخواسته می‌تواند کل یک دسته از بطری‌های PET بازیافتی را خراب کند.[1][4]

راکتور ATT این تمایزات را نادیده می‌گیرد. محققان نشان دادند که PET، PE و PP می‌توانند به طور همزمان به سیستم وارد شوند. برای دستیابی به این هدف، این فرآیند از یک پیش‌تصفیه اکسیداسیون حرارتی ملایم استفاده می‌کند. پلاستیک‌ها به طور مختصر در هوا گرم می‌شوند، که گروه‌های عاملی حاوی اکسیژن را به زنجیره‌های پلیمری بلند و خنثی اضافه می‌کند.[1][2][3]

این مکان‌های واکنشی تازه ایجاد شده به عنوان دستگیره‌های شیمیایی عمل می‌کنند و به سدیم هیدروکسید اجازه می‌دهند تا PE و PP را که به مقاومت در برابر تخریب شیمیایی شهرت دارند، بگیرد و تجزیه کند. از آنجایی که این فرآیند به جای مکانیکی، به صورت شیمیایی عمل می‌کند، می‌تواند بسته‌بندی‌های چندلایه، چسب‌ها و جوهرهایی را نیز هضم کند که بازیافت‌کنندگان مکانیکی مجبور به رد کردن آن‌ها هستند.[1][4]

با این حال، شواهد در حال حاضر صرفاً در مقیاس آزمایشگاهی وجود دارد. شیمی این فرآیند اثبات شده است، اما مهندسی مورد نیاز برای مقیاس‌دهی این واکنش هنوز آزمایش نشده است. حرکت از یک راکتور آزمایشگاهی کنترل‌شده به یک تأسیسات صنعتی پیوسته، متغیرهای پیچیده‌ای را در توزیع گرما، جابجایی مواد و بازیابی معرف‌ها (مواد شیمیایی واکنش‌دهنده) معرفی می‌کند.[3]

مصرف سدیم هیدروکسید یک عامل محدودکننده اصلی است. در حالی که این ماده شیمیایی با موفقیت کربن را به دام می‌اندازد، استقرار در مقیاس صنعتی نیازمند حجم عظیمی از این معرف قلیایی خواهد بود. انتشار گازهای گلخانه‌ای در طول چرخه عمر و هزینه‌های اقتصادی تولید، حمل و نقل و احتمالاً بازسازی سدیم هیدروکسید باید قبل از اینکه این فرآیند از نظر تجاری مقرون به صرفه تلقی شود، کمی‌سازی شوند.[3]

در صورت مقیاس‌دهی، محصول جانبی جامد یک بازار ثانویه جذاب ارائه می‌دهد. سدیم کربنات تولید شده توسط واکنش می‌تواند بیشتر به کلسیم کربنات تبدیل شود – یک ماده معدنی بسیار پایدار که به طور گسترده در سیمان و مصالح ساختمانی استفاده می‌شود. این امر کربن پلاستیک را به طور دائمی در محیط ساخته شده جداسازی می‌کند و آن را به طور کامل از زیست‌کره حذف می‌نماید.[5][6]

این دستاورد در حالی رخ می‌دهد که تقاضا برای هیدروژن در حال افزایش است. در حال حاضر، بخش عمده‌ای از عرضه جهانی هیدروژن، «هیدروژن خاکستری» است که طی فرآیندی بسیار کربن‌بر از گاز طبیعی استخراج می‌شود. «هیدروژن سبز»، که با تجزیه آب توسط برق تجدیدپذیر تولید می‌شود، همچنان گران و انرژی‌بر باقی مانده است.[4][5]

فرآیند ATT با تبدیل یک جریان زباله فراوان و مشکل‌ساز به منبع هیدروژن، یک پل نظری ارائه می‌دهد. این فرآیند فیلم‌های پلاستیکی آلوده و غیرقابل بازیافت و ظروف غذایی را هدف قرار می‌دهد که در حال حاضر مستقیماً به محل‌های دفن زباله یا کوره‌های سوزاندن می‌روند و به آن‌ها فرصت یک زندگی دوباره به عنوان حامل انرژی پاک را می‌دهد.[4]

فاز بعدی تحقیقات بر اقتصاد مقیاس متمرکز خواهد بود. تیم‌های UCLA و اِوا در حال کار برای تعیین چگونگی بزرگ‌سازی طراحی راکتور و نحوه ادغام این فرآیند با زیرساخت‌های مدیریت زباله موجود هستند. تا زمانی که این موانع مهندسی برطرف نشوند، این فناوری به جای یک راه‌حل صنعتی فوری، یک اثبات مفهوم شیمیایی بسیار امیدوارکننده باقی خواهد ماند.[1][3][4]