Produzione di combustibili e nanotubi di carbonio da rifiuti plastici utilizzando un in

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9057 (2023) Citare questo articolo

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Questo studio ha eseguito la pirolisi a microonde in situ di rifiuti di plastica in idrogeno, combustibile liquido e nanotubi di carbonio in presenza del catalizzatore Zeolite Socony Mobil ZSM-5. Nella pirolisi a microonde della plastica presentata, il carbone attivo è stato utilizzato come suscettore di calore. La potenza delle microonde di 1 kW è stata utilizzata per decomporre i rifiuti di polietilene ad alta densità (HDPE) e polipropilene (PP) a temperature moderate di 400–450 °C. È stato quantificato l'effetto della composizione plastica, del caricamento del catalizzatore e del tipo di plastica sui prodotti di carbonio liquidi, gassosi e solidi. Questa reazione CMP in situ ha prodotto idrocarburi pesanti, gas idrogeno e nanotubi di carbonio come residuo solido. In questo processo è stata possibile una resa di idrogeno relativamente migliore di 129,6 mmol/g come combustibile verde. L'analisi FTIR e gascromatografica ha rivelato che il prodotto liquido era costituito da idrocarburi della frazione C13+, come alcani, alcani e aromatici. Le micrografie TEM hanno mostrato una morfologia strutturale tubolare del residuo solido, che è stato identificato come nanotubi di carbonio (CNT) durante l'analisi di diffrazione dei raggi X. Il diametro esterno dei CNT variava da 30 a 93 nm per l'HDPE, 25–93 nm per il PP e 30–54 nm per la miscela HDPE-PP. Il processo CMP presentato ha richiesto solo 2-4 minuti per pirolizzare completamente la materia prima plastica in prodotti di valore, senza lasciare residui polimerici.

I prodotti in plastica sono onnipresenti nella nostra vita quotidiana. A causa del loro basso costo, resistenza alla corrosione, flessibilità, durata e leggerezza, vengono utilizzati in una varietà di settori economici, tra cui residenziale, agricolo, automobilistico, commerciale, medico, materiali di imballaggio, giocattoli, demolizione e apparecchiature elettriche. Polietilene ad alta densità (HDPE), polietilene tereftalato (PET), polietilene a bassa densità (LDPE), cloruro di polivinile (PVC) e polipropilene (PP) sono stati tra i polimeri plastici sintetici con i tassi di produzione più elevati negli ultimi anni1,2 ,3. Le applicazioni della plastica stanno aumentando con l’aumento della popolazione mondiale. La produzione di plastica su larga scala sta sollevando diverse preoccupazioni a livello globale, tra cui la produzione non sostenibile, l’inquinamento ambientale e processi o meccanismi di riciclaggio inadeguati2. La gestione dei rifiuti di plastica è essenziale per controllare l’inquinamento ambientale a un livello accettabile. I polimeri plastici impiegano decenni per decomporsi e quindi hanno un impatto negativo sull’ambiente. Secondo i rapporti, i rifiuti di plastica sono il 3° produttore mondiale di discariche. A causa di un aumento significativo delle industrie degli involucri di plastica, la produzione di plastica è aumentata da 1,5 milioni di tonnellate nel 1950 a 359 milioni di tonnellate nel 2018 e circa 367 milioni di tonnellate nel 2020. Vengono gettati in discarica circa 250 milioni di tonnellate di rifiuti di plastica in discarica e scaricati direttamente in atmosfera ogni anno. Circa 10 milioni di tonnellate vengono rilasciate apertamente negli oceani e si prevede che entro il 2050 si potrebbe creare una crescita annuale dei rifiuti di plastica del 9-13%. I rifiuti di plastica possono scaricare elementi cancerogeni e altri composti dannosi nelle discariche, contaminando le falde acquifere. Queste sostanze tossiche riducono anche la fertilità del suolo. Anche l’ecologia marina è a rischio a causa dei detriti di plastica galleggianti nell’oceano. La combustione dei rifiuti di plastica produce emissioni pericolose che sono altamente dannose per l’ambiente se utilizzate come fonte di energia diretta4,5.

Riciclare la plastica è impegnativo poiché rimuovere molti vincoli legati all’inquinamento dell’acqua e ad altri fattori sarebbe molto costoso. Sebbene il riciclaggio della plastica possa ridurre al minimo la quantità di rifiuti plastici, sono necessari metodi più coerenti e sostenibili per convertire i rifiuti di plastica in olio liquido, gas idrogeno e CNT5. Il trattamento dei rifiuti di plastica è diventato un grosso problema e la pirolisi è un processo chimico terziario che trasforma rapidamente i rifiuti di plastica in carbonio e idrogeno scomponendo termicamente le molecole polimeriche a catena lunga in molecole più piccole in un ambiente privo di ossigeno. I fattori dei prodotti di pirolisi, come temperatura, tipo di catalizzatore, tempo di residenza, pressione, tipo di reattore, dimensione delle particelle e gas fluidificante, influenzano tutti la quantità e la qualità del prodotto. È possibile ottenere gli oggetti di valore desiderati regolando una serie di parametri. Ad esempio, il liquido massimo è stato prodotto durante la pirolisi di LDPE a 550 °C e PET a 520 °C. Per generare i prodotti desiderati, nella progettazione del reattore è necessario considerare attentamente la miscela catalizzatore-plastica, la conversione del calore e l'efficienza della reazione. La biomassa e i rifiuti plastici vengono scomposti utilizzando reattori batch, continui o semi-batch, letti conici, letti fluidificanti e altre geometrie simili6.