Weinig van het gemengde plastic dat consumenten weggooien of in recyclebakken doen, wordt daadwerkelijk gerecycled. Bijna 90% wordt begraven op stortplaatsen of verbrand in commerciële installaties die broeikasgassen en giftige stoffen in de lucht produceren. Geen van beide is ideaal voor het milieu. Waarom worden er niet meer gemengde kunststoffen gerecycled? Het is meestal makkelijker en goedkoper om nieuwe plastic producten te maken dan gebruikte producten terug te winnen, te sorteren en te recyclen. Conventionele recycling van gemengde kunststoffen betekende voorheen het handmatig of mechanisch scheiden van de kunststoffen op basis van hun samenstellende polymeren. Om dit probleem aan te pakken, gebruikten wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy een zorgvuldig gepland chemisch ontwerp, neutronenverstrooiing en krachtige computers om een nieuw katalytisch recyclingproces te helpen ontwikkelen. De katalysator deconstrueert selectief en sequentieel meerdere polymeren in gemengde kunststoffen tot zuivere monomeren – moleculen die reageren met andere monomeermoleculen om een polymeer te vormen. Het proces biedt een veelbelovende strategie voor het bestrijden van wereldwijd plastic afval, zoals flessen, verpakkingen, schuim en tapijten.

De analyse van de onderzoekers, gepubliceerd in Materials Horizons, vergeleek het gebruik van de nieuwe multifunctionele katalysator met het gebruik van afzonderlijke katalysatoren voor elk type plastic. De nieuwe katalysator zou tot 95% minder broeikasgassen genereren, tot 94% minder energie-input vereisen en tot 96% minder fossiele brandstoffen verbruiken.

“Onze aanpak omvat een op maat gemaakte synthetische organokatalysator – een verbinding bestaande uit kleine organische moleculen die organische chemische transformaties vergemakkelijken. De organokatalysator kan batches gemengd plastic afval omzetten in waardevolle monomeren voor hergebruik in de productie van commerciële kunststoffen en andere waardevolle materialen,” zegt Tomonori Saito, een ORNL synthetisch polymeerchemicus en corresponderend auteur. “Dit uitzonderlijk efficiënte chemische proces kan helpen de kringloop voor het recyclen van gemengde kunststoffen te sluiten door monomeren voor eerste gebruik te vervangen door gerecyclede monomeren.

“Vandaag de dag worden bijna alle kunststoffen gemaakt van fossiele brandstoffen met monomeren voor het eerste gebruik die zijn gemaakt met energie-intensieve processen. Als dit soort recycling in een gesloten kringloop wereldwijd wordt toegepast, kan het jaarlijkse energieverbruik met ongeveer 3,5 miljard vaten olie worden verminderd,” voegde Saito eraan toe.

Een recyclingoplossing voor meer dan 30% van alle kunststoffen

De nieuwe organokatalysator heeft bewezen meerdere polymeren efficiënt en snel te kunnen deconstrueren – in ongeveer twee uur. Dergelijke polymeren zijn onder andere gebruikt in materialen zoals veiligheidsbrillen (polycarbonaten), schuim (polyurethanen), waterflessen (polyethyleentereftalaten) en touwen of visnetten (polyamiden), die samen meer dan 30% van de wereldwijde plasticproductie uitmaken. Tot nu toe is nog geen enkele katalysator effectief gebleken voor alle vier deze polymeren.

Het proces biedt veel milieuvoordelen doordat het agressieve chemicaliën voor het deconstrueren van polymeren vervangt en een goede selectiviteit, thermische stabiliteit, niet-vluchtigheid en lage ontvlambaarheid biedt. De effectiviteit tegen meerdere polymeren maakt het ook nuttig voor het deconstrueren van de toenemende hoeveelheden multicomponent kunststoffen, zoals composieten en meerlaagse verpakkingen.

Er werd gebruik gemaakt van kleine-hoek neutronenverstrooiing in de Spallation Neutron Source van ORNL om de vorming van gedeconstrueerde monomeren uit de afvalplastics te helpen bevestigen. De methode verstrooit neutronen onder kleine hoeken om de structuur op verschillende detailniveaus te karakteriseren, van nanometers tot fracties van een micrometer.

Gemengde kunststofpolymeren omzetten in echte gerecyclede kunststoffen

De organokatalysator deconstrueert de kunststoffen bij verschillende temperaturen, waardoor de afzonderlijke monomeren achtereenvolgens kunnen worden teruggewonnen in herbruikbare vorm. Polycarbonaten deconstrueren bij 266 F (130 C), polyurethanen bij 320 F (160 C), polyethyleentereftalaten bij 356 F (180 C) en polyamiden bij 410 F (210 C). Andere kunststoffen, additieven en aanverwante materialen zoals katoen en plastic zakken worden intact gelaten vanwege de verschillen in hun reactiviteit en kunnen vervolgens worden teruggewonnen.

“De gedeconstrueerde monomeren en de organokatalysator zijn oplosbaar in water, dus we kunnen ze overbrengen naar water, waar eventuele onzuiverheden zoals pigmenten kunnen worden verwijderd door filtratie,” aldus Md Arifuzzaman, hoofdauteur van het onderzoek en voormalig postdoctoraal synthetisch organisch chemicus bij ORNL. Hij is nu een Innovation Crossroads Fellow en CEO en oprichter van Re-Du Company. “De bijna zuivere monomeren worden vervolgens geëxtraheerd, waarna de katalysator overblijft, die bijna volledig wordt teruggewonnen door het water te verdampen en direct kan worden hergebruikt voor meerdere deconstructiecycli.”

Aan het onderzoek werkten onderzoekers mee van ORNL’s Chemical Sciences Division en Center for Nanophase Materials Sciences binnen het Physical Sciences Directorate, het Neutron Sciences Directorate en het Department of Chemical Engineering van de University of Virginia, Charlottesville.

CNMS en SNS zijn gebruikersfaciliteiten van het Department of Energy Office of Science.
UT-Battelle beheert ORNL voor DOE’s Office of Science, de grootste ondersteuner van fundamenteel onderzoek in de natuurwetenschappen in de Verenigde Staten. Het Office of Science werkt aan een aantal van de meest urgente uitdagingen van onze tijd.

Foto: Credit: Jill Hemman/ORNL, U.S. Dept. of Energy