Katalis baru dapat memungkinkan daur ulang plastik campuran
Masa depan daur ulang plastik akan segera menjadi lebih sederhana dan lebih efisien.
Peneliti di Universitas Northwestern telah mengembangkan metode upcycling plastik baru yang sangat berkurang-dan bahkan dapat menghilangkan kebutuhan untuk limbah plastik campuran pra-penyortiran.
Di jantung proses ini adalah katalis berbasis nikel -nikel rendah yang secara selektif menargetkan plastik poliolephin, termasuk polietilen dan polipropilen, yang membentuk hampir dua pertiga konsumsi plastik multiguna global. Ini berarti bahwa katalis dapat diterapkan pada volume besar limbah poliolefin yang tidak diurutkan.
Saat diaktifkan, katalis mengubah plastik padat bernilai rendah 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 dapat memecahkan plastik yang terkontaminasi dengan polivinil klorida (PVC), bahan beracun panjang yang dianggap cukup lama untuk membuat plastik “tidak dapat dikurangi.”
Tantangan utama dan potensi terobosan
Studi baru ini diterbitkan dalam jurnal Kimia Alami.
“Salah satu hambatan terbesar dalam daur ulang plastik selalu perlu mengurutkan limbah plastik dengan hati -hati,” kata Tobin menandai Northwestern, penulis senior penelitian. “Katalis baru kami dapat melalui langkah yang mahal dan intensif tenaga kerja untuk plastik poliolefin umum, membuat daur ulang lebih efisien, praktis, dan layak secara ekonomi daripada strategi saat ini.”
“Ketika orang berpikir tentang plastik, mereka cenderung berpikir tentang poliolefin,” kata Yosi Krash dari Northwestern, seorang penulis yang berkorespondensi di atas kertas. “Pada dasarnya, hampir semua hal di lemari es Anda didasarkan pada poliolefin-botoli untuk memeras rempah-rempah dan bantalan salad, kendi susu, bungkus plastik, kantong sampah, peralatan sekali pakai, jus kardus dan banyak lagi. Plastik ini memiliki waktu yang sangat singkat, sehingga sebagian besar digunakan untuk penggunaan tunggal.
Ahli katalisis terkenal di dunia, Marks adalah seorang 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. Kramous adalah asisten profesor peneliti dalam kelompok Marks, dan anggota fakultas yang berafiliasi di Trienens Institute. Qingheng Lai, mitra penelitian dalam kelompok Marks, adalah penulis pertama dari penelitian ini. Marks, Krash, dan Lai bersama dengan studi dengan Jeffrey Miller, seorang profesor teknik kimia di Universitas Purdue; Michael Wasielewski, Profesor Kimia Clare Hamilton di Weinberg; dan Takeshi Kobayashi, seorang ilmuwan peneliti di Laboratorium Nasional Ames.
Kesulitan poliolefin
Dari gelas yogurt dan pembungkus camilan ke botol sampo dan topeng medis, poliolefin plastik 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 AlamiTingkat daur ulang untuk plastik 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 kecil yang dihubungkan oleh ikatan karbon-karbon, yang diketahui kuat dan sulit dipisahkan.
“Ketika kami merancang katalis, kami menargetkan titik lemah,” kata Krash. “Tapi poliolefin tidak memiliki tautan yang lemah. Setiap ikatan sangat kuat dan secara kimia tidak reaktif.”
Masalah dengan proses saat ini
Saat ini, hanya ada beberapa proses yang kurang ideal yang dapat mendaur ulang poliolefin. Ini dapat dirobek menjadi fragmen, 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 langsung memasuki tempat pembuangan sampah.
Pilihan lain melibatkan pemanasan plastik untuk suhu yang sangat tinggi, mencapai 400 hingga 700 derajat Celsius. Meskipun proses ini mengurangi plastik poliolefin menjadi campuran gas dan cairan yang bermanfaat, ini sangat intensif dalam energi.
“Semuanya bisa dibakar, tentu saja,” kata Kramous. “Jika Anda menggunakan energi yang cukup, Anda dapat mengubah apa pun menjadi karbon dioksida dan air. Tetapi kami ingin menemukan cara yang elegan untuk menambahkan energi minimum untuk mendapatkan produk maksimum.”
Teknik presisi
Untuk mengungkap solusi yang elegan, tanda tangan, Krash, dan tim mereka muncul dalam 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 semua pasokan logam untuk kimia. Dan, bahkan jika kami melakukannya, itu masih tidak akan cukup untuk mengatasi masalah plastik. Itulah 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 lainnya memiliki beberapa lokasi reaksi, tim ini merancang katalis molekul satu molekul.
Desain situs tunggal memungkinkan katalis untuk bertindak seperti ikatan karbon-karbon karbon-karbon yang sangat khusus dari bedah khusus dari instrumen tumpul yang kurang terkontrol yang memecah seluruh struktur plastik. Akibatnya, katalis memungkinkan untuk gangguan selektif dari poliolefin bercabang (seperti polypropylene isotaktik) ketika mereka dicampur dengan poliolephin yang tidak dibacakan – 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 Krash. “Kami juga menggunakan pemuatan katalis 10 kali lebih sedikit, dan kegiatan kami 10 kali lebih besar. Jadi, kami menang di semua kategori.”
Dipercepat dengan kontaminasi
Dengan satu situs aktif, yang didefinisikan dengan tepat, dan katalis yang terisolasi, berbasis nikel memiliki aktivitas dan stabilitas yang belum pernah terjadi sebelumnya. Katalis sangat stabil pada termal dan bahan 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 samping yang sangat korosif yang biasanya menonaktifkan katalis dan mengganggu proses daur ulang.
Hebatnya, katalis Northwestern tidak hanya memiliki kontaminasi PVC, PVC sebenarnya mempercepat aktivitasnya. Bahkan ketika berat total campuran limbah terdiri dari 25% PVC, para ilmuwan menemukan katalis mereka masih bekerja dengan peningkatan kinerja. Hasil yang tidak terduga ini menunjukkan bahwa metode tim mungkin mengatasi salah satu hambatan terbesar dalam daur ulang campuran plastik – memecahkan limbah yang saat ini dianggap “tidak dapat” karena kontaminasi PVC. Katalis juga dapat diregenerasi untuk beberapa siklus melalui perawatan sederhana dengan alkylaluminum murah.
“Menambahkan PVC ke dalam campuran daur ulang selalu dilarang,” kata Krash. “Tapi ternyata, itu membuat proses kita lebih baik. Ini gila. Ini jelas bukan sesuatu yang diharapkan oleh siapa pun.”
Referensi: “Organonickel Catalyst Situs tunggal preferensi hidrogenolisis katalis dengan ikatan CC polyolefin CC” oleh Qingheng Lai, Xinrui Zhang, Shan Jiang, Matthew D. Krzyaniak, LiEAklu Selim, Amol Agarwal, Yukun Liu, Yukun Liuak, Yukun Liuak, Yukun LiAak, Yukun Liaak, Yukun LiaK, Yukun LiaK, Yukun Liang, Yukunk. Liu, Wilson C. Dravid, Michael R. Wasielewski, Jefferry T. Miller, Yosi Krash dan Tobin J. Marks, 2 September 2025, Kimia Alami.
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.
NewsRoom.id
