فرآیند شیمیایی جدید، زباله‌های پلاستیکی تفکیک‌نشده را در دمای پایین به هیدروژن با خلوص بالا تبدیل می‌کند

پلاستیک در همه جا یافت می‌شود، اما بازیافت آن همچنان یک گلوگاه لجستیکی و اقتصادی است. از آنجایی که پلیمرهای مختلف در دماهای بسیار متفاوتی ذوب شده و واکنش نشان می‌دهند، مراکز بازیافت باید قبل از فرآوری، پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) را با دقت از پلی‌اتیلن (PE) و پلی‌پروپیلن (PP) جدا کنند. این نیاز به تفکیک آنقدر کار فشرده و پرهزینه است که تنها ۹٪ از پلاستیک‌های دور ریخته شده در سطح جهان بازیافت می‌شوند، در حالی که اکثریت قریب به اتفاق دفن یا سوزانده می‌شوند. گازسازی در دمای بالا می‌تواند پلاستیک‌های مخلوط را بدون نیاز به تفکیک مدیریت کند، اما به ورودی‌های انرژی عظیمی نیاز دارد و مقادیر قابل توجهی دی‌اکسید کربن در جو منتشر می‌کند.[4]

تیمی از مهندسان شیمی از دانشگاه UCLA و دانشگاه زنان اِوا (Ewha Womans University) در کره جنوبی، یک راهکار شیمیایی را نشان داده‌اند که به طور کامل از گلوگاه تفکیک پلاستیک عبور می‌کند. این محققان در مقاله‌ای که در نشریه «مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم» (PNAS) منتشر شد، جزئیات فرآیندی را شرح دادند که مخلوطی تفکیک‌نشده از PET، PE و PP را مستقیماً به سوخت هیدروژن با خلوص بالا تبدیل می‌کند. این روش که به عنوان تصفیه حرارتی قلیایی (ATT) شناخته می‌شود، در دماهایی ۳۰۰ تا ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد پایین‌تر از گازسازی سنتی با بخار عمل می‌کند و انرژی مورد نیاز برای تجزیه زباله‌ها را به شدت کاهش می‌دهد.[1]

فرآیند ATT متکی بر واکنش هیدروکسید سدیم با مواد آلی تحت حرارت ملایم است. با تجزیه پلاستیک، گاز هیدروژن آزاد می‌شود. نکته حیاتی این است که هیدروکسید سدیم به عنوان یک مکانیسم داخلی برای جذب کربن نیز عمل می‌کند. به جای اینکه کربن پلاستیک به صورت دی‌اکسید کربن فرار کند، واکنش آن را به دام انداخته و به کربنات سدیم جامد تبدیل می‌کند. تجزیه و تحلیل خروجی‌های واکنش نشان داد که بیش از ۷۵٪ از کربن اولیه موجود در پلاستیک‌ها با موفقیت در ترکیبات کربنات پایدار یا باقیمانده‌های آلی مایع تثبیت شده است و کمتر از ۱۳٪ وارد فاز گازی شده است.[1][2]

در حالی که روش ATT به طور یکپارچه بر روی پلاستیک‌های حاوی اکسیژن مانند PET کار می‌کند، محققان با پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن با چالش قابل توجهی روبرو شدند. این دو پلاستیک – که بخش عمده‌ای از کیسه‌های خرید، ظروف غذا و قطعات خودرو را تشکیل می‌دهند – کاملاً از پیوندهای پایدار کربن-هیدروژن تشکیل شده‌اند. در شرایط قلیایی، آنها از نظر شیمیایی خنثی هستند، به این معنی که در ابتدا هیدروژن بسیار کمی تولید می‌کردند. روش‌های قبلی تبدیل هیدروژن در دمای پایین، مانند فوتورفرمینگ با نیروی خورشیدی، نیز به طور مشابه در تجزیه این پلی‌اولفین‌های مقاوم شکست خورده بودند.[1][2][4]

برای غلبه بر این مقاومت شیمیایی، تیم مهندسی یک مرحله پیش‌تصفیه اکسیداسیون حرارتی را معرفی کرد. محققان با حرارت دادن مختصر پلاستیک‌های PE و PP در هوا قبل از ورود به راکتور اصلی، گروه‌های عاملی حاوی اکسیژن را مجبور کردند تا به زنجیره‌های پلیمری بلند متصل شوند. این گروه‌های اکسیژن تازه وارد شده به عنوان تکیه‌گاه‌های شیمیایی عمل می‌کنند و سایت‌های واکنش‌پذیری ایجاد می‌کنند که در آن هیدروکسید سدیم می‌تواند با موفقیت به ستون فقرات پلیمر حمله کرده و آن را از بین ببرد. پس از فعال‌سازی با این مرحله گرمایش ملایم، هر سه نوع پلاستیک به طور کارآمد در یک راکتور واحد تجزیه شدند.[1][2]

فرآیند بهینه‌سازی شده نتایج چشمگیری برای هر سه نوع اصلی پلاستیک به همراه داشت. محققان بازده هیدروژن ۴۳٫۷ میلی‌مول در هر گرم پلاستیک برای PET، ۵۱٫۹ میلی‌مول برای PE و ۳۰٫۲ میلی‌مول برای PP گزارش کردند. هنگامی که پلاستیک‌ها با هم مخلوط شده و به طور همزمان فرآوری شدند، گاز هیدروژن حاصل از خلوص بیش از ۹۰٪ برخوردار بود. محصول جانبی کربنات سدیم تولید شده در طول واکنش نیز می‌تواند به راحتی به کربنات کلسیم تبدیل شود، یک ماده معدنی پایدار که به طور گسترده در ساخت و ساز و تولید استفاده می‌شود و تضمین می‌کند که کربن به طور دائمی جداسازی می‌شود.[1][4]

روش ATT در ابتدا برای زباله‌های پلاستیکی طراحی نشده بود. تیم تحقیقاتی در ابتدا این فرآیند را به عنوان راهی خنثی از نظر کربن برای استخراج هیدروژن از زیست‌توده مرطوب و شور توسعه دادند. در مطالعه‌ای در سال ۲۰۲۰ که در نشریه «نیچر کامیونیکیشنز» منتشر شد، همین محققان نشان دادند که ATT می‌تواند جلبک دریایی قهوه‌ای را با موفقیت به هیدروژن با خلوص بالا تبدیل کند و در عین حال از تشکیل دی‌اکسید کربن جلوگیری نماید. تطبیق این تکنیک از جلبک دریایی آلی به پلاستیک‌های مصنوعی و از نظر شیمیایی خنثی، یک جهش بزرگ در تطبیق‌پذیری این فناوری محسوب می‌شود.[3][4]

در حالی که شیمی این فرآیند اثبات شده است، شواهد در مورد امکان‌پذیری آن در دنیای واقعی هنوز اندک است. داده‌های فعلی منحصراً از آزمایش‌های آزمایشگاهی بسیار کنترل‌شده با استفاده از راکتورهای کوچک و نمونه‌های پلاستیکی خالص به دست آمده‌اند. هنوز مشخص نیست که فرآیند ATT در مواجهه با آلودگی‌های شدیدی که در جریان‌های زباله شهری معمول است، مانند باقیمانده‌های مواد غذایی، برچسب‌های کاغذی و افزودنی‌های شیمیایی سمی، چگونه عمل خواهد کرد. علاوه بر این، انرژی مورد نیاز برای پیش‌تصفیه اکسیداسیون حرارتی و تأمین مداوم هیدروکسید سدیم باید در یک تحلیل کامل چرخه عمر لحاظ شود تا مشخص شود که آیا این فرآیند در مقیاس صنعتی واقعاً از نظر انرژی و انتشار گازهای گلخانه‌ای خالص مثبت است یا خیر.[1][4]