Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndaki bilim insanları, alışveriş poşetleri ve kesme tahtalarında kullanılan yaygın plastik olan polietileni benzin ve dizel benzeri yakıtlara dönüştürmenin şaşırtıcı derecede basit bir yolunu geliştirdi. Süreç, uzun plastik moleküllerini daha küçük hidrokarbonlara ayırmak için ucuz alüminyum bazlı erimiş tuzları kullanıyor ve nispeten ılımlı koşullarda yaklaşık yüzde 60 benzin üretiyor.
Enerji Bakanlığı’na bağlı Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndaki araştırmacılar, dünyanın en yaygın plastiklerinden biri olan polietileni benzin ve dizel benzeri yakıtlara dönüştürmenin yeni bir yolunu geliştirdi.
Polietilen alışveriş poşetleri ve beyaz plastik kesme tahtaları gibi ürünlerde yaygın olarak kullanılıyor ve büyük miktarları sonunda atık olarak birikiyor. ORNL ekibinin yöntemi, plastiği alüminyum klorür içeren erimiş tuzlarla birleştiriyor. Bu tuzlar aynı anda iki iş görüyor, hem reaksiyon ortamı olarak hem de kimyasal dönüşümü sağlayan katalizör olarak görev yapıyor.
Araştırmacılar teknoloji için patent başvurusunda bulundu ve bulgular Journal of the American Chemical Society’de yayımlandı.
Erimiş tuzlar plastik nasıl yakıta ayırıyor
Sürecin neden işlediğini anlamak için bilim insanları polimeri yakıt moleküllerine dönüştüren kimyasal reaksiyonları yakından izledi.
Yumuşak X-ışını spektroskopisi ve nükleer manyetik rezonans kullanılarak, ekip yüklü alüminyum atomlarının üç başka atomla bağlandığını ve son derece asidik katalitik bölgeler oluşturduğunu buldu. Bu bölgeler polietileni oluşturan uzun moleküler zincirlere saldırıp onları daha küçük hidrokarbon moleküllerine ayırabiliyor.
İzotop etiketleme ve nötron saçılması kullanılarak yapılan ek deneyler, başlangıç polimerinin yapısının elde edilen yakıtı nasıl etkilediğini gösterdi. Daha basit polimer zincirleri benzin benzeri bileşikler üretme eğilimindeyken, daha karmaşık zincirler dizel benzeri yakıtlar oluşturdu.
Yöntem laboratuvar deneylerinin ötesine ölçeklendirilebilirse, araştırmacılar bunun ABD enerji güvenliğine katkıda bulunabileceğini ve endüstriyel rekabet gücünü güçlendirebileceğini söylüyor.
“Verimli ve seçici bir polietilen-benzin dönüşümü geliştirdik” diyen Liqi Qiu, çalışmanın çoğunu ORNL ve UTK’dan Sheng Dai’nin laboratuvarında yürüten Tennessee Üniversitesi Knoxville’de doktora sonrası araştırmacı. Dai, ORNL Kurumsal Üyesi ve ayrışma ve polimer kimyası bölüm başkanı, makalenin eş-sorumlu yazarı.
Deneyler nispeten ılımlı reaksiyon koşullarında yaklaşık yüzde 60 benzin verimi elde etti.
200 derece Celsius’un altında plastik-benzin dönüşümü
Yöntemin en dikkat çekici özelliklerinden biri, geleneksel plastik-yakıt teknolojilerine kıyasla ne kadar az gereksinim duyduğu.
ORNL çalışan bilim insanı ve makalenin bir diğer eş-sorumlu yazarı Zhenzhen Yang, “Polimer atığını değerli yakıtlara dönüştürdük. Bunun için ticari olarak temin edilebilen inorganik tuzları reaksiyon ortamı olarak kullandık ve katalitik bölgeleri sağladık” dedi. “Polimeri yakıta dönüştürmek için geleneksel tekniklerin aksine, yeni süreç soygun metal katalizör, organik çözücü ya da dış hidrojen gerektirmedi. Bu, ilk kez erimiş tuzların herhangi bir katalitik başlatıcı ya da çözücü olmadan ve 200 derece Celsius’un altında sıcaklıkta atıktan yüksek katma değerli kimyasallar üretmek için ortam olarak kullanıldığı örnek.”
200 derece Celsius’un altındaki sıcaklıklar, geleneksel bir mutfak fırınında bulunan sıcaklıklara benzer. Polietileni benzine dönüştürmek için daha önce kullanılan yaklaşımlar tipik olarak pirolize dayanıyordu; bu süreç büyük polimer moleküllerini daha küçük hidrokarbonlara ayırmak için yoğun ısı kullanıyor. Bu yöntemler yaklaşık 450 ila 500 derece Celsius sıcaklık gerektiriyordu.
Daha düşük sıcaklık, maliyetli soygun metal katalizörlerin, dış hidrojenin, organik çözücülerin ve kimyasal bir başlatıcının olmaması süreci basitleştirebilir.
“ORNL sistemi iki temel sorunu çözüyor. Birincisi, kararlı bir sistem için süreç radikal şekilde ölçeklendirilmesi daha kolay hale geliyor. İkincisi, önceki sistem katalitik reaksiyonları başlatmak için bir başlatıcıya ihtiyaç duyuyordu.”
Sheng Dai, ORNL Kurumsal Üyesi ve ayrışma ve polimer kimyası bölüm başkanı
Erimiş tuz araştırmasının on yılları
ORNL on yıllardır erimiş tuzları inceliyor. 1960’larda Molten Salt Reactor Experiment, erimiş tuz karışımlarının hem nükleer yakıt hem de reaktör soğutkanı olarak işlev görebileceğini gösterdi.
Bu uzun geçmiş üzerine inşa eden Dai, erimiş tuzları tamamen farklı bir amaç için kullanmayı önerdi: atık polimerleri kullanışlı yakıtlara dönüştürmek.
Erimiş tuzlar, talepkar kimyasal reaksiyon koşullarında bile kararlı kalabilen inorganik bileşiklerdir.
“ORNL sistemi iki temel sorunu çözüyor” diyen Dai, “Birincisi, kararlı bir sistem için süreç radikal şekilde ölçeklendirilmesi daha kolay hale geliyor. İkincisi, önceki sistem katalitik reaksiyonları başlatmak için bir başlatıcıya ihtiyaç duyuyordu. Ancak ORNL sistemi buna ihtiyaç duymuyor.”
ORNL’den Tomonori Saito projeyi yönetti ve polimer bilimi konusunda uzmanlık sağladı.
“Bu durumda yaygın bir ticari polimer olan polietileni erimiş tuz kullanarak ele aldık” dedi. “Yeni keşiflere ve yeni ekonomik fırsatlara yol açacak temel bilimi anlamaya çalışıyoruz.”
Reaksiyon sırasında tam olarak neler olduğunu anlamak için araştırmacılar birkaç farklı bilimsel disiplinden geldi ve birden fazla gelişmiş analitik teknik kullandı.
Atom atom kimyayı izlemek
ORNL’de Luke Daemen, farklı polimer zincirleri reaksiyona girdiğinde oluşan hidrokarbon ürünlerini tanımlamak için nötron saçılmasını kullandı. Felipe Polo-Garzon ürünleri, tek tek kimyasal bileşikleri ayırmak ve tanımlamak için kullanılan gaz kromatografisi-kütle spektrometrisi ile analiz etti.
Polietilen alüminyum katalitik bölgesiyle etkileşime girdiğinde reaksiyon pozitif yüklü bir karbon iyonu üretti. Qiu, Yang ve Dai bu karbon iyonunu hidrojenin bir izotopu olan deuterium ile etiketledi ve reaksiyon ilerledikçe ne olduğuna dair iz sürmelerini sağladı.
Ekip ayrıca sistem içindeki hidrojeni izlemek için ORNL’nin Spallation Neutron Source tesisinde nötronları kullandı.
“Polimer çok miktarda hidrojen içeriyor” diyen Dai, “Nötronlar hidrojen ve deuterium gibi izotoplar da dahil olmak üzere hafif elementleri ayırt etmede idealdir.”
Araştırmacılar ayrıca alüminyum bölgelerinin kendisinin süreç sırasında nasıl değiştiğini belirlemesi gerekiyordu.
Yang, Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndaki Advanced Light Source’a gitti ve burada Min-Jae Kim ve Jinhua Guo ile çalıştı. Yumuşak X-ışınları kullanarak, araştırmacılar alüminyum ve polietilen arasındaki etkileşimleri atomik ve elektronik düzeyde inceledi. Yumuşak X-ışınları alüminyum gibi nispeten hafif elementleri incelemek için özellikle kullanışlıdır.
“Alüminyum kenarı düşük elektron yoğunluğu kenarına kaydı, bu da bazı elektron zengini ara ürünlerin oluştuğu anlamına geliyor” diyen Yang, “Bulguları diğer tekniklerle karşılaştırdık ve aromatik halka ara ürününün alüminyumla koordine olabildiğini ve bağlanma enerjisi değişikliğine neden olabildiğini doğruladık.”
Bu kayma, alüminyum bölgelerinin kimyasal reaksiyonu aktif olarak katalize ettiğine dair kanıt sağladı.
Simülasyonlar ve gelişmiş görüntüleme mekanizmayı ortaya çıkarıyor
ORNL’de Center for Nanophase Materials Sciences’tan Bobby Sumpter, reaksiyon sırasında meydana gelen enerji değişimlerini incelemek için bilgisayar simülasyonları kullandı; bu simülasyonlar kararlı karbon iyonlarının nasıl oluştuğunu ve hidrokarbon ürünlerine nasıl aktarıldığını içeriyordu.
UTK’da Michael Koehler, kimya ilerledikçe reaksiyon karışımındaki faz değişikliklerini takip etmek için in situ X-ışını kırınımı kullandı. Carlos Alberto Steren alüminyum katalitik bölgelerini araştırmak için nükleer manyetik rezonans kullandı.
ORNL’den Tao Wang erimiş tuz kimyası konusunda uzmanlık sağlarken, ORNL’den Logan Kearney yüksek yoğunluklu polimerler sağladı ve bunların daha yüksek değerli ürünlere dönüştürülmesi için olası yollar konusunda uzman rehberlik sundu.
Kalan bir zorluk: tuzların stabil kalmasını sağlamak
Alüminyum bazlı katalitik sistem ucuz ve kimyasal olarak aktif olsa da önemli bir sınırlaması var. Malzeme higroskopiktir, yani suyu kolayca emer. Bu nem stabilitesini azaltabilir.
Araştırmacılar şimdi erimiş tuzları potansiyel olarak halogenler veya karbon bazlı malzemeler kullanarak hapsetmenin yollarını araştırmak istiyor; bu, tuzların ayrılmasını ve işlenmesini kolaylaştırırken stabilitesini de iyileştirebilir.
Çalışma nihayetinde atık malzemelerden ulaşım ve endüstriyel yakıt üretmek için kullanılabilecek yöntem yelpazesini genişletebilir.
“Polimer kaynak malzemesi tüketici atığından bol miktarda mevcut ve bizim katalizör sistemimiz, alüminyum erimiş tuzları, çok ucuz” diyen Qiu, “Bu ilerleme endüstri için umut verici olabilir.”
DOE Bilim Ofisi, Malzemeler Bilimi ve Mühendisliği Bölümü öncelikle araştırmayı destekledi ve ayrıca gaz kromatografisi-kütle spektrometrisi çalışmasını destekledi. Araştırma, DOE Bilim Ofisi kullanıcı tesislerini ORNL’de kullandı; Spallation Neutron Source, VISION ışın hattında nötron saçılması için ve Center for Nanophase Materials Sciences kuantum kimyası hesaplamaları için. Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndaki Advanced Light Source yumuşak X-ışını spektrumları için kullanıldı.
