بازیافت پلاستیک و کاهش وابستگی انرژی به سوختهای فسیلی از مهمترین چالشهای زیستمحیطی جهان به شمار میروند. اکنون یک پژوهش جدید راهکاری ارائه کرده است که میتواند هر دو مشکل را همزمان هدف قرار دهد: تبدیل زبالههای پلاستیکی به هیدروژن پاک.
اصل این ایده جدید نیست، اما روش معرفیشده در مقالهای که اوایل این ماه در نشریه آکادمی ملی علوم آمریکا منتشر شد، بهطور قابل توجهی نسبت به روشهای متداول بهبود یافته است. این فرآیند که «درمان حرارتی قلیایی» یا ATT نام دارد، هیدروژن با خلوص بالا را در دماهای بسیار پایینتر تولید میکند، بدون آنکه نیاز به تفکیک گسترده زبالهها داشته باشد. همچنین این واکنش بهطور مستقیم گازهای گلخانهای تولید نمیکند.
به گفته «وو جائه کیم»، استاد مهندسی شیمی و علم مواد در دانشگاه زنان ایهوا در کره جنوبی و از نویسندگان مقاله، پلاستیکهای دورریز در عمل اغلب بهصورت مخلوط و آلوده به مواد غذایی، چسب، برچسب، رنگ و افزودنیهای دیگر هستند یا در بستهبندیهای چندلایه به کار رفتهاند. به همین دلیل جداسازی و پاکسازی آنها از نظر فنی دشوار و در بسیاری موارد گرانتر از تولید پلاستیک جدید از منابع فسیلی است.
پژوهشهای پیشین نشان دادهاند که در سال ۲۰۲۲ نرخ بازیافت پلاستیک در جهان تنها حدود ۹ درصد بوده است، در حالی که ۴۰ درصد زبالههای پلاستیکی در محلهای دفن زباله و ۳۴ درصد از طریق سوزاندن دفع شدهاند. در عین حال پیشبینی میشود مصرف پلاستیک همچنان افزایش یابد و از ۴۶۴ میلیون تن در سال ۲۰۲۰ به ۸۸۴ میلیون تن تا سال ۲۰۵۰ برسد.
همزمان جهان بهشدت به منابع انرژی پاک نیاز دارد. هیدروژن یکی از گزینههای امیدوارکننده محسوب میشود، زیرا میتوان آن را مانند نفت یا گاز سوزاند، اما در هنگام مصرف دیاکسیدکربن تولید نمیکند. مشکل اصلی این است که روی زمین منابع قابل استخراج و آمادهای از هیدروژن خالص وجود ندارد و برای استفاده از آن باید ابتدا تولیدش کرد.
برای حل همزمان این دو مشکل، مهندسان شیمی در حال بررسی روشهای مختلفی برای تبدیل زبالههای پلاستیکی به هیدروژن پاک هستند. دو روشی که در سالهای اخیر توجه زیادی جلب کردهاند، «پیرولیز» و «گازیسازی» هستند.
در روش پیرولیز، پلاستیکها در محیطی بدون اکسیژن حرارت داده میشوند و به روغن، زغال و گازهایی از جمله هیدروژن تجزیه میشوند. این فرآیند نسبتاً کمکربن است، اما تنها برای برخی انواع پلاستیک کارایی بالایی دارد و به همین دلیل به تفکیک و پالایش گسترده نیاز دارد.
گازیسازی به شیوهای متفاوت عمل میکند. در این روش، پلاستیکها در دماهای بسیار بالا بهطور جزئی اکسید میشوند و مخلوطی از هیدروژن، مونوکسید کربن و هیدروکربنها تولید میشود. از آنجا که گازیسازی میتواند پلاستیکهای مخلوط را بدون تفکیک گسترده پردازش کند، معمولاً از نظر اقتصادی مقرونبهصرفهتر تلقی میشود، اما فشارها و دماهای بسیار بالای موردنیاز آن مصرف انرژی زیادی دارد و در نتیجه مقدار قابل توجهی دیاکسیدکربن تولید میکند.
برای رفع این محدودیتها، پژوهش جدید پیشنهاد میکند که از «درمان حرارتی قلیایی» برای بازیافت زبالههای پلاستیکی مخلوط استفاده شود. پژوهشگران این فرآیند را بر پایه روشی توسعه دادند که «وو جائه کیم» پیشتر همراه با «آه-هیونگ پارک»، استاد مهندسی شیمی و زیستمولکولی دانشگاه کالیفرنیا در لسآنجلس، طراحی کرده بود. آن روش در ابتدا برای تبدیل زیستتودههایی مانند جلبک دریایی به هیدروژن بهصورت کربنخنثی توسعه یافته بود و پژوهشگران اکنون بررسی کردهاند که آیا همین رویکرد میتواند برای بازیافت پلاستیکهای مخلوط نیز کاربرد داشته باشد یا خیر.
کیم، پارک و همکارانشان در آزمایشگاه از نسخه اصلاحشده فرآیند ATT برای تبدیل سه نوع پلاستیک رایج، یعنی پلیاتیلن ترفتالات (PET)، پلیاتیلن (PE) و پلیپروپیلن (PP)، به هیدروژن با خلوص بالا استفاده کردند. در این روش، پلاستیک با هیدروکسید سدیم (NaOH) مخلوط و سپس حرارت داده میشود. به دلیل شرایط قلیایی ایجادشده توسط هیدروکسید سدیم، این فرآیند به گرمای بسیار کمتری نسبت به گازیسازی نیاز دارد.
در ابتدا، مقدار هیدروژن تولیدشده از PET بهمراتب بیشتر از PE و PP بود. این دو پلاستیک فقط از پیوندهای کربن-هیدروژن تشکیل شدهاند و در شرایط قلیایی از نظر شیمیایی کمواکنش هستند. برای رفع این مشکل، پژوهشگران پیش از واکنش اصلی، PE و PP را برای مدت کوتاهی در معرض گرمای ملایم و اکسیژن قرار دادند. این پیشفرآوری باعث شد هر سه نوع پلاستیک بهطور مؤثر تجزیه شوند.
با استفاده از این روش، پژوهشگران بهترتیب از هر گرم PET، PE و PP حدود ۴۳.۷، ۵۱.۹ و ۳۰.۲ میلیمول گاز هیدروژن تولید کردند؛ مقادیری که با بازده روشهای پیرولیز و گازیسازی قابل مقایسه است. همچنین بررسیهای انجامشده پس از واکنش نشان داد که انتشار کربن در این فرآیند ناچیز بوده است.
«جولی زیمرمن»، استاد مهندسی شیمی و محیطزیست دانشگاه ییل، گفت این پژوهش یک «مفهوم واکنشی جالب و بالقوه مهم» ارائه میکند، اما هنوز زود است که آن را روشی مقیاسپذیر و پایدار برای تبدیل پلاستیکهای مخلوط به هیدروژن پاک دانست. او توضیح داد که پژوهشگران مسیر شیمیایی قابل قبولی برای تولید هیدروژن با خلوص بالا از PET و همچنین PE و PP پیشاکسیدشده نشان دادهاند، اما آزمایشها در مقیاس میلیگرمی، نیاز به پیشاکسیداسیون طولانی، مصرف قابل توجه مواد قلیایی و دماهای بالای نهایی، بیشتر امکانپذیری شیمیایی را ثابت میکند تا توجیه فنی یا اقتصادی را.
خود پژوهشگران نیز تأکید کردهاند که بهینهسازی فرآیند و ارزیابی اقتصادی آن به تحقیقات بیشتری نیاز دارد. به گفته کیم، اگرچه این واکنش بهطور مستقیم تقریباً هیچ دیاکسیدکربنی تولید نکرده است، اما برای مشخص شدن ردپای کربنی واقعی آن باید تحلیل کامل چرخه عمر انجام شود. همچنین تیم تحقیقاتی باید روشی کارآمد برای بازیافت هیدروکسید سدیم پیدا کند و بررسی کند که آیا این روش در مورد زبالههای پلاستیکی آلوده به بقایای غذا، رطوبت، افزودنیها و سایر ناخالصیها نیز مؤثر خواهد بود یا نه.
