ابتكر الباحثون في Northwestern محفزًا للنيكل يبسط إعادة التدوير عن طريق تحطيم البلاستيك المختلط ، حتى تلك الملوثة مع Pvc التي يصعب إعادة تدويرها ، إلى منتجات جديدة قيمة. إن اختراقهم يمكن أن يحول كيف يتم تدوير النفايات البلاستيكية. الائتمان: الأسهم

قد يمكّن المحفز الجديد إعادة تدوير البلاستيك المختلط

يمكن أن يصبح مستقبل إعادة تدوير البلاستيك قريبًا أبسط وأكثر كفاءة.

الباحثون في جامعة نورث وسترن طورت طريقة جديدة للركوب البلاستيكي التي تقل إلى حد كبير-وقد تزيل-الحاجة إلى النفايات البلاستيكية المختلطة مسبقًا.

يوجد في قلب العملية محفزًا منخفض التكلفة القائم على النيكل يستهدف بشكل انتقائي المواد البلاستيكية للبولي أوليفين ، بما في ذلك البولي إيثيلين والبولي بروبيلين ، والتي تشكل ما يقرب من ثلثي الاستهلاك البلاستيكي العالمي للاستخدام الواحد. هذا يعني أنه يمكن تطبيق المحفز على كميات كبيرة من نفايات البولي أوليفين غير المصنفة.

عند تنشيطه ، يحول المحفز هذه المواد البلاستيكية الصلبة ذات القيمة المنخفضة إلى زيوت سائلة وشمع يمكن إعادة استخدامها إلى منتجات ذات قيمة عالية مثل الوقود ومواد التشحيم والشموع. يمكن إعادة استخدام المحفز عدة مرات ، ولا سيما قادرة أيضًا على تحطيم البلاستيك الملوثة بكلوريد البولي فينيل (PVC) ، وهي مادة سامة تعتبر طويلة لجعل المواد البلاستيكية “غير قابلة للتشغيل”.

التحديات الرئيسية وإمكانات الاختراق

تم نشر الدراسة مؤخرًا في المجلة كيمياء الطبيعة.

وقال توبين ماركس من نورث وسترن ، المؤلف الكبير للدراسة: “كانت إحدى أكبر العقبات في إعادة تدوير البلاستيك دائمًا ضرورة فرز النفايات البلاستيكية بدقة حسب النوع”. “يمكن أن يتجاوز محفزنا الجديد هذه الخطوة المكلفة والمكثفة للعمالة للبلاستيك الشائع للبولي أوليفين ، مما يجعل إعادة التدوير أكثر كفاءة وعملية وقابلة للحياة اقتصاديًا من الاستراتيجيات الحالية.”

وقال يوزي كراتيش من نورث كراتيش ، وهو مؤلف مشارك على الورقة: “عندما يفكر الناس في البلاستيك ، من المحتمل أن يفكروا في البولي أوليفين”. “في الأساس ، كل شيء تقريبًا في الثلاجة الخاصة بك يعتمد على البولي أوليفين-الضغط على التوابل وضمادات السلطة ، وأباريق الحليب ، واللف البلاستيكية ، وأكياس القمامة ، والأواني القابلة للتخلص ، وعشليات العصير أكثر من ذلك بكثير. هذه البلاستيك لها مدى الحياة ، لذلك فإنها في الغالب من غيرها. تحلل إلى البلاستيك الدقيق الضار. ”

يعد ماركس ، وهو خبير في التحفيز المشهور عالمياً ، أستاذ فلاديمير إن. وهو أيضًا شركة تابعة لأعضاء هيئة التدريس في معهد بولا م. ترينينز للاستدامة والطاقة. كراتيش أستاذ مساعد باحث في مجموعة ماركس ، وعضو هيئة تدريس تابع في معهد ترينينز. تعتبر Qingheng Lai ، شريك باحث في مجموعة ماركس ، أول مؤلف للدراسة. شاركت ماركس ، كراتيش ولاي في قيادة الدراسة مع جيفري ميلر ، أستاذ الهندسة الكيميائية في جامعة بوردو ؛ مايكل واسيليوسكي ، كلير هاملتون هول أستاذ الكيمياء في وينبرغ ؛ و Takeshi Kobayashi عالم أبحاث في Ames National Laboratory.

مأزق polyolefin

من أكواب الزبادي وأغلفة الوجبات الخفيفة إلى زجاجات الشامبو والأقنعة الطبية ، تعد المواد البلاستيكية البولي أوليفين جزءًا من الحياة اليومية. فهي أكثر المواد البلاستيكية استخدامًا على نطاق واسع في العالم ، والتي تنتج بكميات هائلة. من خلال بعض التقديرات، يتم تصنيع أكثر من 220 مليون طن من منتجات polyolefin على مستوى العالم كل عام. ومع ذلك ، وفقا ل 2023 تقرير في المجلة طبيعة، لا تزال معدلات إعادة التدوير لهذه المواد البلاستيكية منخفضة بشكل غير مؤلم ، حيث تقع بين أقل من 1 ٪ و 10 ٪ في جميع أنحاء العالم.

هذا السجل السيئ لإعادة التدوير يرجع إلى حد كبير إلى متانة polyolefins. يتكون هيكلها من جزيئات صغيرة متصلة بواسطة روابط الكربون والكربون ، والتي تشتهر بها قوية ويصعب الانهيار.

“عندما نقوم بتصميم المحفزات ، نستهدف البقع الضعيفة” ، قال كراتيش. “لكن polyolefins ليس لديها أي روابط ضعيفة. كل رابطة قوية بشكل لا يصدق وغير موجهة كيميائيا.”

مشاكل في العمليات الحالية

في الوقت الحالي ، هناك عدد قليل من العمليات الأقل من المثالية التي يمكنها إعادة تدوير polyolefin. يمكن تمزيقها إلى رقائق ، والتي يتم ذوبانها بعد ذلك لتشكيل كريات بلاستيكية منخفضة الجودة. ولكن نظرًا لأن أنواع مختلفة من البلاستيك لها خصائص ونقاط ذوبان مختلفة ، فإن العملية تتطلب من العمال فصل أنواع مختلفة من المواد البلاستيكية بدقة. حتى كميات صغيرة من المواد البلاستيكية الأخرى أو بقايا الطعام أو المواد غير البلاستيكية يمكن أن تضعف دفعة كاملة. وتلك الدُفعات المخترقة تذهب مباشرة إلى المكب.

خيار آخر يتضمن تسخين المواد البلاستيكية إلى درجات حرارة عالية بشكل لا يصدق ، حيث تصل إلى 400 إلى 700 درجة مئوية. على الرغم من أن هذه العملية تدهور المواد البلاستيكية polyolefin إلى مزيج مفيد من الغازات والسوائل ، إلا أنها كثيفة الطاقة للغاية.

قال كراتيش: “يمكن حرق كل شيء ، بالطبع”. “إذا قمت بتطبيق ما يكفي من الطاقة ، يمكنك تحويل أي شيء إلى ثاني أكسيد الكربون والماء. لكننا أردنا إيجاد طريقة أنيقة لإضافة الحد الأدنى من الطاقة لاستخلاص منتج القيمة القصوى.”

الهندسة الدقيقة

للكشف عن هذا المحلول الأنيق والعلامات والكراتيش وفريقهم يتطلعون إلى انحلال الهيدروجين ، وهي عملية تستخدم غاز الهيدروجين ومحفز لتحطيم البلاستيك البولي أوليفين إلى هيدروكربونات أصغر ومفيدة. في حين أن مقاربات تحلل الهيدروجين موجودة بالفعل ، فإنها تتطلب عادة درجات حرارة عالية للغاية ومحفزات باهظة الثمن مصنوعة من المعادن النبيلة مثل البلاتين والبلاديوم.

وقال لاي: “مقياس إنتاج polyolefin ضخم ، لكن احتياطيات المعادن النبيلة العالمية محدودة للغاية”. )

بالنسبة لمحفز إعادة تدوير البولي أوليفين ، حدد الفريق الشمالي الغربي النيكل الكاتييل ، الذي تم تصنيعه من مركب نيكل وفيرة وغير مكلفة ومتوفر تجاريًا. في حين أن المحفزات الأخرى القائمة على الجسيمات النانوية النيكل لها مواقع رد فعل متعددة ، فإن الفريق صمم محفزًا جزيئيًا منفردًا.

يمكّن التصميم الواحد لموقع المحفز من التصرف مثل مشرط متخصص للغاية-بشكل تفضيلي لروابط الكربون الكربونية-بدلاً من أداة حادة أقل تحكمًا تحطم بنية البلاستيك بأكملها بشكل عشوائي. ونتيجة لذلك ، يسمح المحفز بالانهيار الانتقائي للبوليوليفين المتفرعة (مثل البولي بروبيلين متساوي التنسيق) عندما يتم خلطها مع البوليوليفينات غير المريحة – تفصلها بشكل فعال كيميائيًا.

“بالمقارنة مع المحفزات الأخرى المستندة إلى النيكل ، تستخدم عمليتنا محفزًا واحدًا من المواقع التي تعمل عند درجة حرارة 100 درجة أقل وفي نصف ضغط غاز الهيدروجين” ، قال كراتيش. “نستخدم أيضًا تحميل محفز أقل بعشر مرات ، ونشاطنا أكبر بعشر مرات. لذلك ، نربح في جميع الفئات.”

تسارع عن طريق التلوث

من خلال موقعه النشط المنفرد والمحدد بدقة والمعزول ، يمتلك المحفز القائم على النيكل نشاطًا واستقرارًا غير مسبوق. المحفز مستقر حراريًا وكيميائيًا ، في الواقع ، يحافظ على السيطرة حتى عند تعرضه للملوثات مثل PVC. يستخدم PVC في الأنابيب والأرضيات والأجهزة الطبية ، مما يشبه بصريا الأنواع الأخرى من البلاستيك ولكنه أقل استقرارًا عند التسخين. عند التحلل ، تطلق PVC غاز كلوريد الهيدروجين ، وهو منتج ثانوي للغاية يتآكل عادةً ما يقوم بإلغاء تنشيط المحفزات ويعطل عملية إعادة التدوير.

بشكل مثير للدهشة ، لم يصمد محفز Northwestern على تلوث PVC فحسب ، بل إن PVC قام بتسريع نشاطه فعليًا. حتى عندما يتكون الوزن الإجمالي لخليط النفايات من 25 ٪ PVC ، وجد العلماء أن محفزهم لا يزال يعمل مع تحسين الأداء. تشير هذه النتيجة غير المتوقعة إلى أن طريقة الفريق قد تتغلب على واحدة من أكبر العقبات في إعادة تدوير البلاستيك المختلط – تحطيم النفايات التي تعتبر حاليًا “غير قابلة للتشغيل” بسبب تلوث PVC. يمكن أيضًا تجديد المحفز على دورات متعددة من خلال علاج بسيط مع ألكيلومونوم غير مكلف.

وقال كراتيش: “إن إضافة PVC إلى خليط إعادة التدوير كان دائمًا ممنوعًا”. “لكن على ما يبدو ، يجعل عمليتنا أفضل. هذا مجنون. إنه بالتأكيد ليس شيئًا يتوقعه أي شخص.”

المرجع: “BONDS مستقرة من One-Site Ongerickel Catalyst بشكل تفضيلي هيدروجينوليس المتفرعة من بولي أوليفين C-C” بقلم تشينغنغ لاي ، شينروي تشانغ ، شان جيانغ ، ماثيو دي. كرزيانياك ، سيليم أليوغلو ، أمول آغاروال ، يوكون ليو ، ويلسون سي. Dravid ، Michael R. Wasielewski ، Jeffery T. Miller ، Yosi Kratish and Tobin J. Marks ، 2 سبتمبر 2025 ، كيمياء الطبيعة.
doi: 10.1038/s41557-025-01892-y

بدعم من وزارة الطاقة الأمريكية (رقم الجائزة DE-SC002448) وشركة DOW الكيميائية.

لا تفوت اختراقًا أبدًا: انضم إلى النشرة الإخبارية ScitechDaily.

إقرأ المزيد