Plastik; su şişelerinden alışveriş poşetlerine ve araç panellerine kadar modern hayatın her alanında karşımıza çıkıyor. Ancak bu ürünler çöpe atıldığında geri dönüştürülmeleri son derece zorlaşıyor. Geleneksel geri dönüşüm süreçleri genellikle işçilerin veya makinelerin plastikleri türlerine göre ayırmasını gerektiriyor; bu da maliyeti ve işlem karmaşıklığını artırıyor.
Tüm bu zorluklar, atık plastiklerin yalnızca yüzde 9'unun geri dönüştürülmesinin nedenini açıklıyor. Çöpe atılan plastiklerin yaklaşık yüzde 79'u depolama alanlarına gönderilirken, yüzde 12'si ise atmosfere karbondioksit salan bir uygulama olan yakma işlemine tabi tutuluyor.
Karma Plastik Atıklardan Hidrojen Üretimi
Araştırmacılar, yaygın olarak kullanılan üç farklı plastiğin karışımını doğrudan yüksek saflıkta hidrojen yakıtına dönüştürebilen kimyasal bir süreci hayata geçirdi. UCLA Samueli Mühendislik Okulu ve Güney Kore'deki Ewha Womans Üniversitesi'nden bilim insanlarının ortaklaşa yürüttüğü ekip, bu başarıyı geleneksel gazlaştırma yöntemlerinin gerektirdiği sıcaklıkların çok daha altında gerçekleştirdi.
Bu yöntem aynı zamanda karbonun karbondioksit olarak atmosfere kaçmasını da engelliyor. Bunun yerine, karbonun büyük bir kısmı katı mineral formunda yakalanıp depolanıyor.
Proceedings of the National Academy of Sciences dergisinde yayımlanan bulgular, alkalik termal işlem (ATT) olarak bilinen bir yönteme odaklanıyor. Bu süreçte sodyum hidrojen, ısı altında organik malzeme ile tepkimeye girerek hidrojen üreten kimyasal reaksiyonları tetikliyor.
Araştırmacılar, alkalik termal işlemin tek bir reaktörün içinde karışık polietilen tereftalat (PET), polietilen (PE) ve polipropilen (PP) atıklarını birlikte işleyebildiğini gösterdi. Elde edilen hidrojen yüzde 90'ın üzerinde bir saflığa sahipti ve plastiklerin önceden ayrıştırılmasına hiç gerek kalmadı.
UCLA Samueli Mühendislik Okulu Dekanı ve Kimyasal ile Biyomoleküler Mühendislik Profesörü Ah-Hyung “Alissa” Park, “Aynı anda iki acil küresel sorunu çözüyoruz” dedi. Park, “Plastik atıklar endişe verici bir hızla birikiyor ve temiz hidrojen, enerjide karbon emisyonlarını azaltmak için şart. Bu teknoloji, her iki zorluğun da üstesinden yaratıcı ve ölçeklenebilir bir şekilde geliyor” diye konuştu.
Başlangıçta Biyokütle İçin Tasarlanan Bir Süreç
Park ve çalışmanın ortak yürütücüsü, Ewha Womans Üniversitesi'nde kimya mühendisliği ve malzeme bilimi profesörü olan Woo-Jae Kim, bu süreci başlangıçta deniz yosunu gibi biyokütleden karbon nötr bir şekilde hidrojen üretmek için geliştirmişti.
Yeni çalışma için araştırmacılar, yöntemi plastik atıkları işleyebilecek şekilde uyarladı. Laboratuvar testleri, değiştirilen sürecin PET, PE ve PP'yi başarıyla yüksek saflıkta hidrojene dönüştürdüğünü gösterdi.
İşlem, PET'ten geleneksel buhar gazlaştırmasında kullanılan sıcaklıkların 300-400 derece Santigrat altında çalışarak önemli ölçüde daha fazla hidrojen üretti. Gazlaştırma normalde malzemeleri parçalamak ve gaza dönüştürmek için yoğun ısıya dayanır, bu da süreci oldukça enerji yoğun hale getirir.
Dirençli Plastikleri Daha Reaktif Hale Getirmek
PET alkalik işleme iyi yanıt verirken, polietilen ve polipropilen başlangıçta daha az hidrojen üretti. Bu iki plastik tamamen karbon-hidrojen bağlarından oluşuyor ve alkalik koşullar altında kimyasal olarak dirençli yapılar.
Araştırmacılar bu engeli aşmak için bir termal oksidasyon ön işlemi geliştirdi. Plastikler ana reaksiyona girmeden önce, nispeten ılıman sıcaklıklarda havada kısa süreliğine ısıtılıyor.
Bu ön adım, plastikleri oluşturan uzun polimer zincirlerine oksijen içeren fonksiyonel gruplar ekliyor. Bu gruplar kimyasal olarak reaktif bölgeler yaratıyor ve alkalik işlemin aksi takdirde büyük ölçüde atanik kalacak malzemeleri parçalamasına olanak tanıyor.
Bu aktivasyon adımının ardından üç plastik türü de verimli bir şekilde ayrıştı.
Plastik Karbonunu Katı Minerallerde Hapsetmek
Reaksiyon sırasında sodyum hidrojen, plastiklerden açığa çıkan karbonu yakalıyor ve onu katı sodyum karbonata dönüştürüyor. Bu durum, karbonun reaktörden atmosfere karbondioksit olarak çıkmasını önlüyor.
Reaksiyon sonrası yapılan analizler, plastikte başlangıçta bulunan karbonun yüzde 75'inden fazlasının kararlı karbonat bileşiklerinde veya sıvı organik kalıntılarda son bulduğunu ortaya koydu. Gaz fazına geçen miktar yüzde 13'ün altında kaldı ve reaksiyon sırasında doğrudan atmosfere salınan miktar ihmal edilebilir düzeydeydi.
Sodyum karbonat ayrıca basit bir geri kazanım süreciyle kalsiyum karbonata da dönüştürülebiliyor. Bu dönüşüm, karbonu geleneksel olarak yüksek karbon emisyonları üreten endüstrilerde yaygın olarak kullanılan kararlı bir mineralin içinde kalıcı olarak depoluyor.
Plastik Geri Dönüşümünün Temel Sınırlamalarını Aşmak
Plastik atıklardan hidrojen üretmeye yönelik diğer düşük sıcaklık yöntemlerinin önemli kısıtlamaları bulunuyor. Örneğin, güneş enerjili fotoreformasyon ve elektrokimyasal dönüşüm genellikle yalnızca PET gibi oksijen içeren plastiklerle çalışıyor.
Bu durum, küresel atık akışındaki en bol plastikler arasında yer almalarına rağmen polietilen ve polipropileni sürecin dışında bırakıyor.
Yüksek sıcaklıklı gazlaştırma, karışık plastiği ayırmadan işleyebiliyor ancak önemli miktarda karbondioksit salıyor. Araştırmacılara göre bu çalışma, alkalik termal işlem yönteminin bu üç sorunu aynı anda aşmak için kullanıldığı ilk örnek olma özelliğini taşıyor.
Süreç karışık plastikleri işleyebiliyor, nispeten düşük sıcaklıklarda çalışıyor ve karbonun çoğunu atmosfere salmak yerine yakalıyor.
Kim, “Ticarileşmenin önündeki en büyük engeller olan ayırma maliyetlerini ve süreç karmaşıklığını azaltarak bu teknoloji, hem hidrojen ekonomisini hem de döngüsel ekonomiyi destekleyecek yeni nesil bir çekirdek teknoloji haline gelme potansiyeline sahip” dedi.
Ticari Kullanım Öncesi Daha Fazla Test Gerekiyor
Laboratuvar sonuçları umut verici olsa da teknoloji henüz yaygın kullanıma hazır değil. Araştırmacılar, süreci geliştirmek ve ticari ölçekte ekonomik bir şekilde hidrojen üretebilip üretemeyeceğini belirlemek için ek çalışmalara ihtiyaç olduğunu belirtiyor.
Araştırma, Kore Ulusal Araştırma Vakfı tarafından desteklendi. Çalışmanın diğer yazarları arasında Ewha Womans Üniversitesi'nden Jieun Park, Hyerin Seo ve Jiwon Lee; Kore Havacılık Üniversitesi'nden Hyunah Kim; Kangwon Ulusal Üniversitesi'nden Hyung-Kyu Lim ve Sogang Üniversitesi'nden Wonho Jung yer alıyor.
