Een team van Northwestern University presenteert een goedkope nikkelkatalysator die de plasticrecycling van alledaagse wegwerpplastics aanzienlijk kan vereenvoudigen.
De katalysator breekt polyolefinen selectief af tot oliën en wassen. Deze kunststoffen zoals polyetheen en polypropyleen, komen vooral voor in verpakkingen. De oliën en wassen kunnen we vervolgens ‘upcyclen’ naar waardevollere toepassingen, zoals smeermiddelen, brandstoffen en kaarsen. Bijzonder: deze aanpak blijft werken en wordt zelfs actiever, wanneer het afval is verontreinigd met PVC.
Polyolefinen
Polyolefinen zijn overal: knijpflessen en folies zijn ervan gemaakt, net als melkflessen, vuilniszakken en wegwerpbestek. Ze zijn goedkoop, sterk en veelzijdig; maar juist door die eigenschappen zijn ze ook lastig te recyclen. De koolstof–koolstofbindingen waaruit ze bestaan, zijn moeilijk te verbreken. Het gevolg: terwijl polyolefinen bijna twee derde van het wereldwijde plasticverbruik uitmaken – goed voor ruim 220 miljoen ton per jaar – wordt wereldwijd slechts een fractie (ongeveer 1 tot 10 procent) echt gerecycled. Hiertoe moeten afvalstromen worden voorgesorteerd, en dat gebeurt meestal met de hand. Want zelfs kleine verontreinigingen kunnen hele batches onbruikbaar maken.
De nieuwe katalysator voor plasticrecycling pakt precies dat knelpunt aan. Hij bevordert hydrogenolyse: een chemisch proces waarbij waterstof en een katalysator worden gebruikt om lange polymeerketens gecontroleerd in kortere koolwaterstoffen te knippen. Eerdere recyclingprocessen steunden vaak op schaarse en dure edelmetalen zoals platina of palladium; maar hier doet een nikkelkatalysator al het werk. Deze katalysator beschikt over één nauwkeurig gedefinieerde actieve site. Deze werkt als een chirurgisch mesje: precies genoeg om de juiste bindingen te verbreken, zonder het hele polymeer ongecontroleerd te slopen.
Precisie
Die precisie heeft twee belangrijke voordelen. Ten eerste maakt ze het mogelijk vertakte en onvertakte polyolefinen samen af te breken. De chemie helpt hierdoor mee met het ‘scheiden’ van het afval; mechanisch voorsorteren is minder nodig. Ten tweede draait het proces onder mildere omstandigheden dan vergelijkbare systemen met nikkel: ongeveer 100 graden Celsius lager, met de halve waterstofdruk, en met tien keer minder katalysator. Maar toch ligt de activiteit juist een factor tien hoger. Samengevat: minder energiegebruik, minder materiaalgebruik en meer opbrengst van bruikbare producten.
Een element dat plasticrecycling doorgaans moeilijker maakt is PVC-verontreiniging. PVC lijkt qua uiterlijk op andere plastics, maar bij verhitting ontstaat onder meer waterstofchloride, dat katalysatoren kan ‘vergiftigen’. Maar hier geldt dat niet. De nikkelkatalysator blijft niet alleen stabiel in aanwezigheid van PVC, maar presteert zelfs beter wanneer tot een kwart van het mengsel uit PVC bestaat. Dat is goed nieuws; want materialen met PVC-sporen worden in de praktijk vaak meteen als ‘onrecyclebaar’ bestempeld. Bovendien is de katalysator eenvoudig te regenereren met een goedkope alkylaluminiumbehandeling; daardoor blijft hergebruik mogelijk.
Opties beperkt
Momenteel zijn er maar weinig keuzemogelijkheden voor recycling van polyolefinen. Vaak wordt mechanische plasticrecycling toegepast, maar deze vereist intensieve scheiding en levert vaak laagwaardige producten op. Verwarming is ook mogelijk, tot 400-700oC. Maar dit vraagt veel energie en levert een breed, minder selectief productmengsel. De nikkelkatalysator biedt een derde weg: chemische ‘ontmanteling’ bij lagere temperaturen; dit proces gebruikt een goedkoper metaal en heeft tolerantie voor realistische vervuiling. De behandelde plastics veranderen in oliën en wassen die relatief eenvoudig zijn te zuiveren en te recyclen. Daarmee komt een efficiëntere plasticrecycling dichterbij; met minder afval op de stort en minder microplastics in het milieu.
Deze stap bestaat nog alleen op labniveau. Hij moet nog worden opgeschaald om daadwerkelijk gebruikt te worden; bovendien moet hij in processen worden geïntegreerd. Maar als we polyolefinen niet meer tot in detail hoeven te sorteren, en toch selectief kunnen ‘knippen’, verschuift de rekensom voor recycling in het voordeel van hergebruik. Dat is goed nieuws voor recyclers, voor de portemonnee én voor het milieu.
Interessant? Lees dan ook:
Verwerking van lignine – uitdagingen en grenzen
Chemische recycling van gemengd plastic afval
Schone technologie is veel meer dan CO2-arm, met veel meer economische potentie