한 번에 하나의 탄소씩 재활용하는 플라스틱

로렌스 버클리 국립 연구소 (Berkeley Lab) 과학자 팀그리고 UC Berkeley는 폴리에틸렌 비닐봉지와 식품 포장을 상업용 플라스틱 및 일반 화학 물질의 귀중한 출발 물질인 프로필렌 또는 프로펜 가스로 재활용하는 새로운 기술을 고안했습니다.

폴리에틸렌 플라스틱을 새로운 재활용 가능한 플라스틱으로 재활용하면 플라스틱 오염 및 매립과 관련된 탄소 배출을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

“세계는 2000억 파운드 이상의 폴리에틸렌을 생산합니다.”라고 새로운 기술을 보고한 Science 연구의 수석 저자인 과학자 John Hartwig가 말했습니다. “우리는 폴리에틸렌에 의존합니다. 파이프 및 건축 자재부터 식품 보존에 이르기까지 광범위한 응용 분야에 큰 이점을 제공합니다. 이러한 플라스틱의 폐기물 형태는 탄소원이 될 수 있지만 이러한 물질은 재활용하기가 매우 어렵습니다. 우리 연구에서는 폴리에틸렌을 재활용하여 우리가 일반적으로 화석 원료에서 얻는 화학 물질을 만드는 새로운 전략을 제시함으로써 이 문제를 해결합니다.”

Hartwig는 Berkeley Lab 화학과학과의 선임 과학자이자 UC Berkeley 화학 교수입니다. 그는 또한 Berkeley Lab의 촉매작용 및 화학 변환 프로그램 리더이기도 합니다.

폴리에틸렌은 2개의 탄소 원자와 4개의 수소 원자(C2H4)로 구성된 분자 또는 단량체의 중합체 사슬입니다. 수년 동안 연구자들은 매우 높은 온도에서 폴리에틸렌 사슬을 절단하여 여러 사슬의 혼합물을 만드는 열분해라는 재활용 기술의 대안으로 단량체를 회수하여 새로운 폴리에틸렌 중합체를 만드는 방식으로 폴리에틸렌을 화학적으로 재활용하는 방법을 찾고 싶었습니다. . 열분해의 문제는 특정 목적(윤활유 또는 연료의 전구체 등)을 위해 원하는 특정 사슬 길이를 가진 제품과 사용하기에는 너무 짧거나 긴 제품을 분리하기가 어렵다는 것입니다.

따라서 폴리에틸렌을 화학적으로 재활용하려면 화학적 결합을 끊어야 합니다. 폴리에틸렌은 깨지기 매우 어려운 비반응성 탄소-탄소 결합으로 결합되어 있지만 Hartwig에 따르면 "우리는 일련의 촉매를 사용하여 폴리에틸렌의 이러한 결합을 매우 선택적으로 절단하여 공급원료인 프로필렌을 만드는 방법을 찾았습니다. 화학적인."

주요 실험에서 Hartwig와 그의 팀은 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)(용기 뚜껑, 우유통, 샴푸병의 플라스틱) 샘플을 가압 용기의 용매에 에틸렌 가스 및 촉매와 함께 용해시켰습니다. 연구진은 이러한 조건으로 인해 일부 단량체 단위에서 수소가 생성될 것이라고 예측했습니다. 그리고 이러한 수소 손실로 인해 추가적인 촉매가 존재하는 경우 탈수소화된 중합체와 에틸렌 사이의 일련의 반응이 일어나 프로필렌을 생산할 수 있다고 그들은 추론했습니다.

연구진은 놀랍게도 단량체 단위의 단 1.9%에서 수소가 제거되었음에도 불구하고 HDPE 중합체 사슬에 있는 탄소 원자의 87%가 에틸렌과 반응하여 단 18시간 만에 프로필렌이 되었습니다. 이는 1,000개의 단량체 단위 사슬에 있는 다른 모든 단량체가 프로필렌 가스로 변했다는 것을 의미합니다. 즉, "폴리머가 하나도 남지 않았습니다"라고 Hartwig는 말했습니다. “너무 잘 작동해서 정말 놀랐어요.”

Berkeley Lab의 Molecular Foundry에서의 실험을 통해 반응 중 물질의 분자량 변화가 설계된 대로 발생함을 확인했습니다.

Hartwig는 이 기술이 아직 산업 규모로 배포될 준비가 되어 있지는 않지만, 이번 발견은 폴리에틸렌 플라스틱을 새로운 플라스틱, 산업용 윤활유, 제트 연료 및 공급원료 화학물질을 위한 탄소 공급원료로 재활용하는 데 중요한 의미를 갖는다고 말했습니다.

향후 실험에서 그와 그의 팀은 재활용 가능한 촉매를 사용하여 기술의 상업적 실행 가능성을 향상시킬 계획입니다. 그들은 또한 이 작업을 사용하여 새로운 유형의 화학적으로 재활용 가능한 플라스틱을 설계하기 위한 토대를 마련하고자 합니다.

이 작업은 DOE Office of Science의 지원을 받았습니다.