Es verwandelt Abfall wirklich in Schätze! Chinesische Wissenschaftler haben eine neue Methode entdeckt, um aus Plastikmüll Benzin herzustellen, mit einer Ausbeute von bis zu 80 %

Polyethylen-Kunststoff begegnet uns in unserem täglichen Leben überall, von leichten Einkaufstüten bis hin zu haltbaren Lebensmittelverpackungsbeuteln, von modischer Kleidung bis hin zu Baumaterialien. Seine breite Anwendung hat das Leben der Menschen erheblich erleichtert. Darüber hinaus gibt es ein nicht zu vernachlässigendes Problem: die Umweltverschmutzung durch Kunststoffabfälle.

Die Abhängigkeit der Menschen von Einwegprodukten aus Kunststoff hat dazu geführt, dass große Mengen an Polyethylen-Kunststoffabfällen in die Natur gelangen. Diese Plastikabfälle sind schwer abbaubar. Sie verschmutzen nicht nur die Umwelt, sondern bedrohen auch das Überleben wildlebender Tiere und Pflanzen und beeinträchtigen über die Nahrungskette sogar indirekt die menschliche Gesundheit. Wenn dieser Zustand über einen längeren Zeitraum anhält, wird er erhebliche negative Auswirkungen auf den Boden, die Wasserquellen und die Ökosysteme haben.

Wie können wir also ein umweltfreundliches Recycling und eine Wiederverwendung von Polyethylen-Kunststoffabfällen erreichen?

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Am 9. April 2024 veröffentlichten chinesische Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Nature Chemistry einen Artikel über das Recycling von Polyethylen zur Herstellung von hochwertigem Benzin, wodurch eine effiziente Nutzung von Polyethylen-Kunststoffabfällen erreicht werden soll.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Chemistry veröffentlicht. Bildquelle: Nature Chemistry Magazin

Umwandlung von Polyethylen-Kunststoff in hochwertiges Benzin

Durch die Ressourcennutzung von Kunststoffabfällen kann nicht nur das Problem der Umweltverschmutzung gelöst, sondern auch eine nachhaltige Ressourcenentwicklung erreicht werden. Unter den Kunststoffabfällen ist Polyethylen sehr schwer umzuwandeln, da seine unpolaren „Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen“ bei niedrigen Temperaturen schwer zu aktivieren und aufzubrechen sind.

Derzeit besteht die Hauptstrategie zur Umwandlung von Polyethylen darin, dies bei hohen Reaktionstemperaturen (über 400 °C), mit Edelmetallkatalysatoren und externen Wasserstoffquellen zu erreichen. Die strengen Reaktionsbedingungen schränken die Anwendung des industriellen Recyclings von Polyethylen ein.

Aufgrund der Probleme, die bei der katalytischen Umwandlung von Polyethylen auftreten, verwendeten die Forscher Tetrabutylammoniumhydroxid (C16H37NO) als strukturgebendes Mittel und führten eine „einstufige hydrothermale Reaktion“ durch, um ein Molekularsieb mit einer geschichteten selbsttragenden Struktur (LSP) für die katalytische Umwandlung von Polyethylen zu synthetisieren.

Dazu gehören struktursteuernde Mittel, die durch die Zugabe spezifischer Liganden oder Additive zu chemischen Reaktionen während der Kristallsynthese oder des Kristallwachstums die Molekülanordnung dahingehend steuern, dass eine hochgradig kristallisierte, geordnete Struktur mit idealen physikalischen und chemischen Eigenschaften entsteht. Geschichtete selbsttragende Strukturen (LSPs) werden durch Kationen und Anionen gebildet, die durch ionische Bindungen verbunden sind. Sie verfügen über ausreichend Kraft und Stabilität, um ohne zusätzliche Unterstützung selbstständig zu existieren.

Mesoporöse Kanäle liegen zwischen Mikroporen und Makroporen, mit Porengrößen im Bereich von 2–50 Nm. Sie weisen eine hochgeordnete Struktur und eine hohe Oberflächenaktivität auf und spielen eine wichtige Rolle für die Katalysatorleistung. Geschichtete, selbsttragende Molekularsiebe verfügen über eine größere spezifische Oberfläche und zahlreiche mesoporöse Kanäle, die den Reaktanten während der katalytischen Reaktion einen vollständigen Kontakt mit dem Katalysator ermöglichen und so die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen.

Im Vergleich zu herkömmlichen Molekularsiebmaterialien verfügt es über eine einzigartige selbsttragende Struktur und mehr starke Lewis-Säurestellen. Eine Lewis-Säurestelle ist eine chemische Spezies, die in der Lage ist, an einer bestimmten Stelle (oder Region) ein Elektronenpaar aufzunehmen und durch Adsorption und Aktivierung von Reaktanten eine Katalyse zu erreichen. Die starken Lewis-Säurestellen im Molekularsieb und seine Formselektivität können eine Schlüsselrolle bei der Katalyse der Umwandlung von Polyethylen spielen. Daher kann das geschichtete selbsttragende Molekularsieb die Umwandlung von Polyethylen besser katalysieren.

Charakterisierung des Katalysators (a. hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskop-Bild; b Röntgenbeugungsbild; c. Stickstoff-Adsorptions-Desorptions-Isotherme; d, e. NMR-Charakterisierungsergebnisse; f, g. IR-Charakterisierungsergebnisse). Bildquelle: Referenz [1]

Benzin besteht hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen im C4-C12-Bereich, also einer Mischung aus Alkanen, Olefinen und Cycloalkanen. Die Oktanzahl ist ein numerischer Indikator, der die Klopffestigkeit des Benzins im Zylinder misst. Es wird normalerweise verwendet, um die Leistung von Autobenzin, also die Qualität des Benzins, zu bewerten.

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Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das in dieser Studie hergestellte Molekularsieb mit geschichteter selbsttragender Struktur (LSP-Z100) die Umwandlung von Polyethylen hoher Dichte in Benzin in 4 Stunden bei einer Temperatur von 240 °C und ohne externe Wasserstoffquelle mit einer Ausbeute von bis zu 80 % erreichen kann. Beim Testen der flüssigen Produkte wurde festgestellt, dass die C4-C12-Komponenten bis zu 99 % und die verzweigten Alkane 72 % ausmachten. Es hat eine hohe Oktanzahl (88,0), die mit der Oktanzahl von handelsüblichem Benzin (86,6) vergleichbar ist.

Die obigen Ergebnisse zeigen, dass das Molekularsieb mit geschichteter selbsttragender Struktur (LSP-Z100) in der Lage ist, Polyethylen katalytisch in hochwertiges Benzin umzuwandeln. Diese Forschung bietet eine neue Denkweise zur Lösung des Umweltverschmutzungsproblems durch Polyethylen-Kunststoffabfälle und zur effektiven Nutzung von Ressourcen.

Umwandlungsrate und Produktausbeute von Polyethylen hoher Dichte unter verschiedenen Katalysatorbedingungen. Bildquelle: Referenz [1]

Wenn wir an die Umweltverschmutzung durch weggeworfene Kunststoffe denken, beginnen wir mit den kleinen Dingen, die wir selbst tun. Das ist der Anfang unseres Beitrags zum Umweltschutz.

Reduzieren Sie die Verwendung unnötiger Plastikprodukte im täglichen Leben (wie Einweg-Strohhalme, Plastiktüten und Geschirr) und fördern Sie die Verbesserung des gesellschaftlichen Umweltbewusstseins. Auch die Müllklassifizierung ist ein wichtiges Bindeglied. Durch die Trennung von recycelbarem Kunststoff vom übrigen Müll kann die Wahrscheinlichkeit verringert werden, dass Polyethylen in die Umwelt gelangt, und das Recycling verschiedener Ressourcen gefördert werden. Jeder sollte seiner Verantwortung bei der Förderung der ökologischen Zivilisation nachkommen.

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Verweise

[1] Cen, Z., Han, X., Lin, L. et al. Upcycling von Polyethylen zu Benzin durch eine Strategie zur Selbstversorgung mit Wasserstoff in einem geschichteten, selbsttragenden Zeolithen[J]. Nature Chemistry, 2024.

[2] Xie Yufei, Wang Qi, Zeng Junmin et al. Forschungsfortschritte beim Recycling und der Anwendung von Polyethylen-Kunststoffabfällen[J]. Kunststoffwissenschaft und -technologie, 2022.

[3] Zhang Jinqing, Guo Ming, Zhang Yuanwen et al. Forschungsfortschritte bei der Herstellung von Kraftstoff durch Cracken von Polyethylen-Kunststoffabfällen[J]. Petrochemische Technologie, 2022.

[4] Gautam KR .Ein neuartiges Verfahren zur Umwandlung von Polyethylen in Benzin, Mitteldestillat und Schweröl durch Hydropyrolyse[J].International Journal of Energy Engineering, 2013.

Planung und Produktion

Produziert von Science Popularization China

Autor: Shi Chang, PhD in physikalischer Chemie

Produzent: China Science Expo

Herausgeber: Dong Nana

Korrekturgelesen von Xu Lailinlin