Katalis baru dapat memungkinkan daur ulang plastik campuran
Masa depan daur ulang plastik bisa segera menjadi jauh lebih sederhana dan lebih efisien.
Peneliti di Universitas Northwestern telah mengembangkan metode upcycling plastik baru yang sangat berkurang-dan bahkan dapat menghilangkan-kebutuhan untuk pra-sortir limbah plastik campuran.
Di jantung proses adalah katalis berbasis nikel berbiaya rendah yang secara selektif menargetkan plastik poliolefin, termasuk polietilena dan polipropilena, yang membentuk hampir dua pertiga konsumsi plastik serba guna global. Ini berarti katalis dapat diterapkan pada volume besar limbah poliolefin yang tidak disortir.
Saat diaktifkan, katalis mengubah plastik padat bernilai rendah ini menjadi minyak cair dan lilin yang dapat digunakan kembali menjadi produk bernilai lebih tinggi seperti bahan bakar, pelumas, dan lilin. Katalis dapat digunakan kembali beberapa kali dan, terutama, juga mampu memecah plastik yang terkontaminasi dengan polyvinyl chloride (PVC), bahan beracun yang lama dipertimbangkan untuk membuat plastik “tidak dapat direkenik.”
Tantangan utama dan potensi terobosan
Studi ini baru -baru ini diterbitkan di jurnal Kimia Alam.
“Salah satu rintangan terbesar dalam daur ulang plastik selalu merupakan perlunya mengortas limbah plastik dengan cermat,” kata Tobin Marks Northwestern, penulis senior studi tersebut. “Katalis baru kami dapat melewati langkah yang mahal dan padat karya ini untuk plastik poliolefin umum, membuat daur ulang lebih efisien, praktis, dan layak secara ekonomi daripada strategi saat ini.”
“Ketika orang memikirkan plastik, mereka kemungkinan berpikir tentang poliolefin,” kata Yosi Kratish dari Northwestern, seorang penulis yang berkoresponden di atas kertas. “Pada dasarnya, hampir semua yang ada di kulkas Anda berbasis poliolefin-botol memeras untuk bumbu dan pembalut salad, kendi susu, bungkus plastik, kantong sampah, peralatan sekali pakai, jus karton dan banyak lagi. Plastik ini memiliki waktu yang sangat singkat, jadi mereka sebagian besar digunakan untuk penggunaan tunggal. Jika kita tidak memiliki cara yang efisien untuk menerima kembali mereka, kemudian, mereka diakhiri dengan mereka yang diakhiri dengan single landal. merendahkan ke dalam mikroplastik berbahaya. “
Seorang ahli katalisis terkenal di dunia, Marks adalah Profesor Kimia Katalitik Vladimir N. Ipatieff di Weinberg College of Arts and Sciences di Northwestern dan seorang profesor teknik kimia dan biologi di McCormick School of Engineering Northwestern. Dia juga afiliasi fakultas di Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy. Kratish adalah asisten profesor peneliti dalam kelompok Marks, dan anggota fakultas yang berafiliasi di Trienens Institute. Qingheng Lai, rekan penelitian dalam kelompok Marks, adalah penulis pertama studi ini. Marks, Kratish, dan Lai bersama studi dengan Jeffrey Miller, seorang profesor teknik kimia di Universitas Purdue; Michael Wasielewski, Profesor Kimia Clare Hamilton di Weinberg; dan Takeshi Kobayashi seorang ilmuwan riset di Laboratorium Nasional Ames.
Kesulitan poliolefin
Dari cangkir yogurt dan pembungkus camilan hingga botol sampo dan topeng medis, plastik poliolefin adalah bagian dari kehidupan sehari -hari. Mereka adalah plastik yang paling banyak digunakan di dunia, diproduksi dalam jumlah besar. Menurut beberapa perkiraan, lebih dari 220 juta ton produk poliolefin diproduksi secara global setiap tahun. Namun, menurut laporan 2023 di jurnal Alamtingkat daur ulang untuk plastik ini tetap rendah, turun antara kurang dari 1% dan 10% di seluruh dunia.
Catatan daur ulang yang buruk ini sebagian besar disebabkan oleh daya tahan poliolefin. Strukturnya terdiri dari molekul-molekul kecil yang dihubungkan oleh ikatan karbon-karbon, yang terkenal kuat dan sulit dipisahkan.
“Ketika kami merancang katalis, kami menargetkan titik -titik lemah,” kata Kratish. “Tapi poliolefin tidak memiliki tautan yang lemah. Setiap ikatan sangat kuat dan secara kimia tidak reaktif.”
Masalah dengan proses saat ini
Saat ini, hanya sedikit proses yang kurang ideal yang dapat mendaur ulang poliolefin. Ini dapat dirobek menjadi serpihan, yang kemudian dilelehkan dan diturunkan untuk membentuk pelet plastik berkualitas rendah. Tetapi karena berbagai jenis plastik memiliki sifat dan titik leleh yang berbeda, prosesnya mengharuskan pekerja untuk memisahkan berbagai jenis plastik. Bahkan sejumlah kecil plastik lain, residu makanan, atau bahan non-plastik dapat mengkompromikan seluruh batch. Dan batch yang dikompromikan itu langsung masuk ke tempat pembuangan sampah.
Pilihan lain melibatkan pemanasan plastik untuk suhu yang sangat tinggi, mencapai 400 hingga 700 derajat Celsius. Meskipun proses ini menurunkan plastik poliolefin menjadi campuran gas dan cairan yang berguna, ini sangat intensif energi.
“Semuanya bisa dibakar, tentu saja,” kata Kratish. “Jika Anda menerapkan energi yang cukup, Anda dapat mengonversi apa pun menjadi karbon dioksida dan air. Tetapi kami ingin menemukan cara yang elegan untuk menambahkan jumlah energi minimum untuk mendapatkan produk nilai maksimum.”
Teknik Presisi
Untuk mengungkap solusi yang elegan, tanda, kratish, dan tim mereka tampak pada hidrogenolisis, suatu proses yang menggunakan gas hidrogen dan katalis untuk memecah plastik poliolefin menjadi hidrokarbon yang lebih kecil dan berguna. Sementara pendekatan hidrogenolisis sudah ada, mereka biasanya membutuhkan suhu yang sangat tinggi dan katalis mahal yang terbuat dari logam mulia seperti platinum dan paladium.
“Skala produksi poliolefin sangat besar, tetapi cadangan logam mulia global sangat terbatas,” kata Lai. “Kami tidak dapat menggunakan seluruh pasokan logam untuk kimia. Dan, bahkan jika kami melakukannya, masih tidak akan cukup untuk mengatasi masalah plastik. Itu sebabnya kami tertarik pada logam yang berlimpah di Bumi.”
Untuk katalis daur ulang poliolefin, tim Northwestern menunjukkan nikel kationik, yang disintesis dari senyawa nikel yang berlimpah, murah, dan tersedia secara komersial. Sementara katalis berbasis nanopartikel nikel lainnya memiliki beberapa situs reaksi, tim merancang katalis molekul satu-situs.
Desain situs tunggal memungkinkan katalis untuk bertindak seperti pisau bedah yang sangat khusus-secara istimewa memotong ikatan karbon-karbon-daripada instrumen tumpul yang kurang terkontrol yang secara tidak pandang bulu memecah seluruh struktur plastik. Akibatnya, katalis memungkinkan untuk gangguan selektif dari poliolefin bercabang (seperti isotaktik polypropylene) ketika mereka dicampur dengan poliolefin yang tidak bercabang – secara efektif memisahkannya secara kimia.
“Dibandingkan dengan katalis berbasis nikel lainnya, proses kami menggunakan katalis situs tunggal yang beroperasi pada suhu 100 derajat lebih rendah dan pada setengah dari tekanan gas hidrogen,” kata Kratish. “Kami juga menggunakan pemuatan katalis 10 kali lebih sedikit, dan aktivitas kami 10 kali lebih besar. Jadi, kami menang di semua kategori.”
Dipercepat dengan kontaminasi
Dengan situs aktif tunggal, yang didefinisikan dengan tepat, dan terisolasi, katalis berbasis nikel memiliki aktivitas dan stabilitas yang belum pernah terjadi sebelumnya. Katalis sangat stabil secara termal dan kimia, sehingga mempertahankan kontrol bahkan ketika terpapar kontaminan seperti PVC. Digunakan dalam pipa, lantai, dan perangkat medis, PVC secara visual mirip dengan jenis plastik lainnya tetapi secara signifikan kurang stabil setelah pemanasan. Setelah dekomposisi, PVC melepaskan gas hidrogen klorida, produk sampingan yang sangat korosif yang biasanya menonaktifkan katalis dan mengganggu proses daur ulang.
Hebatnya, katalis Northwestern tidak hanya menahan kontaminasi PVC, PVC sebenarnya mempercepat aktivitasnya. Bahkan ketika total berat campuran limbah terdiri dari 25% PVC, para ilmuwan menemukan katalis mereka masih bekerja dengan peningkatan kinerja. Hasil yang tidak terduga ini menunjukkan metode tim mungkin mengatasi salah satu rintangan terbesar dalam daur ulang plastik campuran – memecah limbah yang saat ini dianggap “tidak dapat direkikan” karena kontaminasi PVC. Katalis juga dapat diregenerasi selama beberapa siklus melalui perawatan sederhana dengan alkylaluminium yang murah.
“Menambahkan PVC ke dalam campuran daur ulang selalu dilarang,” kata Kratish. “Tapi ternyata, itu membuat proses kami lebih baik. Itu gila. Ini jelas bukan sesuatu yang diharapkan siapa pun.”
Referensi: “Katalis Organonickel Situs Tunggal Katalis Preferensi Hidrogenolisis Berabak Berabak Polyolefin C-C Bonds” oleh Qingheng Lai, Xinrui Zhang, Shan Jiang, Matthew D. Krzyaniak, Selim Alayoglu, Amol Agarwal, Yukun Liu, Wilson C. Edenak, edenak, Yukun Liu, Wilson C. Edenak, Yukun Liu, Wilson C. Dravid, Michael R. Wasielewski, Jeffery T. Miller, Yosi Kratish dan Tobin J. Marks, 2 September 2025, Kimia Alam.
Doi: 10.1038/s41557-025-01892-y
Didukung oleh Departemen Energi AS (nomor penghargaan DE-SC0024448) dan Dow Chemical Company.
Jangan pernah melewatkan terobosan: Bergabunglah dengan buletin ScitechDaily.
BN Babel
