廃プラスチックを燃料に変える: 科学者が室温触媒変換技術を開発-、塩素化プラスチックのリサイクルという世界的な課題を解決
2023 年、海外での博士研究員としての研究中に、Zhang Wei は初めての論文を出版しました。-科学プラスチックを液体燃料に分解することについて。 2 年後の 2025 年、現在は母校の華東師範大学の研究者となった彼は、別の初著論文を（共同責任著者としても）-出版しました。-科学。今回、彼と中国および海外の協力者らは、プラスチックをガソリンに変換することに成功しました。{{1}分解が難しい--混合プラスチック廃棄物を、ワンステップで高品質のガソリンに変換する-ことができました。
この技術は 30 度で、軟質ポリ塩化ビニル (PVC) パイプの変換率 95%、硬質 PVC パイプと PVC ワイヤーの変換率 99% を達成します。これにより、室温および大気圧で実行される低エネルギー プロセスによって有毒なプラスチック廃棄物を燃料に変換でき、エネルギー消費を 70% 以上削減できます。{4}}
この論文の共同責任著者であり、米国工学アカデミーと欧州科学アカデミーの会員でもあるヨハネス・ラーチャー氏は、「この技術は、室温でポリマー鎖をガソリンサイズの分子に切断できる、プラスチック廃棄物の『化学ハサミ』を見つけるようなものです。この技術は、世界的な循環経済に重要なサポートを提供します。」と述べています。
プラスチックを燃料に変換する従来の方法と比較して、この新しいアプローチは必要なエネルギー、デバイスと手順が少なく、大規模な産業用途に適しています。{0}}得られる製品には、ガソリン、化学原料、塩酸の主要成分が含まれており、水処理、金属加工、医薬品、食品製造、石油産業で使用できます。
この方法は、さまざまな種類のプラスチック廃棄物をワンステップで価値のある製品に変えることで、グリーン経済の発展をサポートします。
この研究で、張氏と彼のチームは、プラスチック廃棄物と-石油精製の副産物である軽質イソアルカン炭化水素-を混合して、ガソリン-範囲の炭化水素（主にガソリンの主成分である炭素原子数 6～12 個の分子）を生成しました。回収された塩酸は安全に中和され、原料として再利用できるため、現在現場で使用されているいくつかの高温{6}}エネルギー集約型-の生産ルートを置き換える可能性があります。
ポリオレフィンは世界のプラスチック生産量の約 50% を占め、塩素化誘導体である PVC はさらに 10% を占めます。 PVC は、家庭の水道管や窓から、人工皮革のバッグ、床材、銀行カード、電線の絶縁体に至るまで、至る所に存在しています。-
PVC は塩素含有量が高い (重量で約 57%) ため、廃棄時に他のポリマーと比較してより深刻な環境問題を引き起こします。焼却などの従来の方法では、ダイオキシンやポリ塩化ビフェニルなどの有毒な塩素化化合物の放出を防ぐために、徹底的な脱塩素処理が必要です。
これに応じて、ヨーロッパと米国の規制当局は 2023 年に PVC{2}} 関連物質の審査を開始し、PVC の環境への影響への対処の緊急性を強調しました。
通常、プラスチックを高純度の成分に分解する化学的アップグレード経路では、別個の高温脱塩素ステップが必要です。{0}{1} Zhang の戦略は、廃 PVC を 1 ステップで塩素を含まない燃料{{3}範囲の炭化水素と塩酸にアップグレードします。-
このプロセスにより、PVC とポリオレフィン混合物の完全な触媒変換が 1 ステップで可能になり、以前に報告されたポリオレフィン単独の変換技術の有効性が大幅に向上します。
研究者らは、PVC がカルボカチオンの供給源として機能し、外部開始剤の必要性を排除し、全体の反応速度を加速できることを発見しました。たとえば、PVC とポリエチレンの比率が 1:1 の場合、混合ポリマーは 30 分以内に完全に変換され、重量で約 97% の液体イソアルカンが生成されます。
このプロセスが現実世界の廃棄物に適用できることを実証するために、チームはさまざまな使用済み PVC 製品を室温および大気圧でアルカンに変換しました。{0}{1}{1}結果は、軟質/硬質 PVC パイプや PVC ワイヤーを含む使用後の PVC 廃棄物が 30 度で同様の反応性を示すことを示しました。{3}
実際の応用では、混合プラスチック廃棄物により、イオン液体相にさまざまな添加剤や不純物が導入される可能性があります。これらは反応速度に影響を与えたり、より高密度のイオン液体層に蓄積したりする可能性がありますが、有機相では依然として 2 時間以内に大量の塩素を含まない液体アルカンとガス状イソブタンが生成される可能性があります。{1}
使用後の PVC 廃棄物を硬質高密度ポリエチレンボトル素材と混合すると、80 度でほぼ定量的な固体変換が達成され、イソブタンが主生成物となりました。{{1}イソペンタンの不均化はカルボカチオンの存在下では避けられませんが、主に反応の初期段階で発生します。
製品の約 40 ～ 66% はガス状のイソブタンであり、未反応のイソペンタンとともにアルキル化成分としてリサイクルできるため、プロセスの効率性と持続可能性が強調されます。
この技術は、混合プラスチック廃棄物を燃料に変換する際の製品流通の重要な問題に対処し、プラスチック混合物中の不純物や不均一性の影響を受けません。
この反応システムでは、ジクロロメタンがイオン液体を希釈し、粘度と局所的な物質移動抵抗を低下させます。また、蒸留によってすべての軽質製品とともに完全に回収して再利用することもできます。
全体として、この研究は、PVC とポリオレフィンの混合廃棄物をアップサイクルするための革新的でスケーラブルな 1 段階のプロセスを提供します。{0}エネルギー消費量を削減し、必要な設備を削減し、中間ステップを排除することで、環境への影響を軽減しながら効率と費用対効果を大幅に向上させます。{2}}
さらに、このワンステップの方法により、さまざまなプラスチック廃棄物が品質が向上した高価値の製品に変換され、産業規模のアプリケーションの基礎が築かれます。{{0}
前述したように、Zhang Wei はこの論文の筆頭著者であり、共同責任著者の 1 人である Johannes Lercher は、米国での彼の博士研究員顧問でした。海外滞在中、Zhang は米国エネルギー省の資金提供による廃プラスチックの分解に関するプロジェクトと、シェブロンの支援による多炭素アルコール燃料合成のための CO2 水素化に関するプロジェクトを主導し、産業用触媒における炭素資源の効率的な利用のための重要なソリューションに貢献しました。{6}
現在、華東師範大学で研究グループを率いている張氏は、次の 4 つの主要分野に焦点を当てています。
熱、光、電気化学、触媒カップリング技術による廃炭素資源（プラスチック/バイオマス）の有価物化。
標準的なガソリン生産を革新する重質パラフィン炭化水素の接触分解と軽質アルカンのアルキル化。
C1 分子 (CO2/CO) の高密度エネルギーキャリアへの触媒変換。-。
水を水素源および媒体として使用する触媒反応およびシステムの開発。
同大学によると、張氏は石油化学会社とのパイロット協力を通じて、グリーン触媒技術の産業化をさらに推進するという。また、人工知能を活用してより効率的な触媒システムを開発し、プラスチック変換の原子レベルのメカニズムを解明し、研究室から産業までのエンドツーエンドのイノベーションを可能にします。-