Sebbene molti americani depositino diligentemente la loro spazzatura di plastica negli appositi cassonetti ogni settimana, molti di questi materiali, inclusi film flessibili, materiali multistrato e molte plastiche colorate, non sono riciclabili utilizzando i metodi di riciclaggio meccanico convenzionali. Alla fine, solo il 9% circa della plastica negli Stati Uniti viene riutilizzato, spesso in prodotti di basso valore. Con una nuova tecnica, tuttavia, gli ingegneri chimici dell’Università del Wisconsin-Madison stanno trasformando la plastica di scarto di basso valore in prodotti di alto valore.
Il nuovo metodo, descritto nel numero dell’11 agosto della rivista Scienza, potrebbe aumentare gli incentivi economici per il riciclaggio della plastica e aprire una porta al riciclaggio di nuovi tipi di plastica. I ricercatori stimano che i loro metodi potrebbero anche ridurre le emissioni di gas serra dalla produzione convenzionale di questi prodotti chimici industriali di circa il 60%.
La nuova tecnica si basa su un paio di tecniche di lavorazione chimica esistenti. Il primo è la pirolisi, in cui la plastica viene riscaldata ad alte temperature in un ambiente privo di ossigeno. Il risultato è l’olio di pirolisi, una miscela liquida di vari composti. L’olio di pirolisi contiene grandi quantità di olefine, una classe di idrocarburi semplici che sono un elemento centrale delle sostanze chimiche e dei polimeri di oggi, inclusi vari tipi di poliesteri, tensioattivi, alcoli e acidi carbossilici.
Negli attuali processi ad alta intensità energetica come lo steam cracking, i produttori chimici producono olefine sottoponendo il petrolio a temperature e pressioni estremamente elevate. In questo nuovo processo, il team di UW-Madison recupera le olefine dall’olio di pirolisi e le usa in un processo chimico molto meno energivoro chiamato catalisi di idroformilazione omogenea. Questo processo converte le olefine in aldeidi, che possono poi essere ulteriormente ridotte in importanti alcoli industriali.
“Questi prodotti possono essere utilizzati per realizzare una vasta gamma di materiali di valore superiore”, afferma George Huber, professore di ingegneria chimica e biologica che ha guidato il lavoro insieme al ricercatore post-dottorato Houqian Li e al dottorando Jiayang Wu.
Questi materiali di valore superiore includono ingredienti usati per fare saponi e detergenti, così come altri polimeri più utili.
“Siamo davvero entusiasti delle implicazioni di questa tecnologia”, afferma Huber, che dirige anche il Centro finanziato dal Dipartimento dell’Energia per il riciclaggio chimico dei rifiuti di plastica. “È una piattaforma tecnologica per aggiornare i rifiuti di plastica utilizzando la chimica dell’idroformilazione”.
L’industria del riciclaggio potrebbe presto adottare il processo; negli ultimi anni, almeno 10 grandi aziende chimiche hanno costruito o annunciato piani per impianti per la produzione di oli di pirolisi dalla plastica di scarto. Molti di loro fanno passare l’olio di pirolisi attraverso cracker a vapore per produrre composti di basso valore. La nuova tecnica di riciclaggio chimico potrebbe fornire un modo più sostenibile e redditizio per utilizzare questi oli.
“Attualmente, queste aziende non hanno un approccio davvero valido per aggiornare l’olio di pirolisi”, afferma Li. “In questo caso, possiamo ottenere alcol di alto valore da 1.200 a 6.000 dollari a tonnellata dai rifiuti di plastica, che valgono solo circa 100 dollari a tonnellata. Inoltre, questo processo utilizza la tecnologia e le tecniche esistenti. È relativamente facile da scalare”.
Lo studio è stato uno sforzo collaborativo tra alcuni diversi dipartimenti di UW-Madison, afferma Huber. Clark Landis, presidente del Dipartimento di Chimica ed esperto mondiale di idroformilazione, ha suggerito la possibilità di applicare la tecnica agli oli di pirolisi. Il professor Manos Mavarikakis di ingegneria chimica e biologica ha utilizzato modelli avanzati per fornire informazioni a livello molecolare sui processi chimici. E il professore di ingegneria chimica e biologica Victor Zavala ha fornito aiuto analizzando l’economia della tecnica e il ciclo di vita dei rifiuti di plastica.
Il prossimo passo per il team è mettere a punto il processo e capire meglio quali combinazioni di plastica riciclata e catalizzatore producono quali prodotti chimici finali.
“Ci sono così tanti prodotti diversi e così tanti percorsi che possiamo seguire con questa tecnologia di piattaforma”, afferma Huber. “C’è un enorme mercato per i prodotti che stiamo realizzando. Penso che potrebbe davvero cambiare l’industria del riciclaggio della plastica”.
George Huber è il professore di Richard L. Antoine. Manos Mavrikakis è Ernest Micek Distinguished Chair, James A. Dumesic Professor e Vilas Distinguished Achievement Professor. Victor Zavala è il professore Baldovin-DaPra. Altri autori di UW-Madison includono Zhen Jiang e Jiaze Ma.
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