Novel heterogeneous catalyst obtained from Citrus macroptera peel ash (CMPA) for plastic waste recycling and biodiesel production

De wereld worstelt momenteel met twee enorme, verweven problemen: de overweldigende ophoping van plastic afval en de dringende behoefte aan het vinden van schonere, hernieuwbare energiebronnen. Plastic, vooral dat soort dat wordt gebruikt voor waterflessen en voedselverpakkingen, breekt niet op natuurlijke wijze af. In plaats daarvan valt het uiteen in kleine fragmenten die oceanen, bodems en zelfs de lucht vervuilen, wat een bedreiging vormt voor wilde dieren en ecosystemen. Tegelijkertijd drijft onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen voor energie klimaatverandering aan, waardoor wetenschappers zoeken naar alternatieven zoals biodiesel, een brandstof gemaakt van plantaardige oliën die schoner brandt dan traditionele diesel. Hoewel deze kwesties verschillend lijken, delen ze één gemeenschappelijke draad: de noodzaak om betere manieren te vinden om afval om te zetten in nuttige hulpbronnen. Eén veelbelovende benadering houdt in dat chemische reacties worden gebruikt om oude plastics af te breken tot hun oorspronkelijke bouwstenen of om plantaardige oliën om te zetten in brandstof, maar deze processen vereisen meestal dure of giftige chemicaliën om efficiënt te werken.

Een team onderzoekers in India heeft een manier gevonden om beide uitdagingen aan te pakken met één enkel, onverwacht ingrediënt: de as van de schillen van een wilde sinaasappelvrucht die lokaal bekend staat als Hatkora. In een recent gepubliceerd studie hebben de wetenschappers aangetoond dat dit eenvoudige, goedkoop materiaal kan fungeren als een krachtig hulpmiddel voor het recyclen van plastic flessen en het maken van biodiesel. De vrucht, inheems in delen van India en Bangladesh, wordt vaak weggegooid nadat het sap eruit is geperst, waardoor er een grote hoeveelheid schil achterblijft. De onderzoekers verzamelden deze schillen, droogden ze en verbrandden ze in de open lucht om een fijne, mineraalrijke as te creëren. Ze ontdekten dat deze as niet slechts afval is, maar een zeer effectieve katalysator – een stof die chemische reacties versnelt zonder zelf verbruikt te worden. Door deze as te gebruiken, waren zij in staat om weggegooide plastic flessen terug te veranderen in de grondstoffen die nodig zijn om nieuw plastic te maken, en tegelijkertijd sojaolie om te zetten in een schoon brandende brandstof.

Het proces waarbij plastic wordt teruggebracht naar zijn oorspronkelijke ingrediënten, wordt glycolyse genoemd. Normaal gesproken vereist deze reactie hoge hitte en specifieke chemicaliën om de sterke bindingen in plastic polymeren te verbreken. De onderzoekers testten hun sinaasappelschil-as door de as te mengen met kleine stukjes gehakt plastic van flessen en een vloeistof genaamd ethyleenglycol in een verwarmde kolf. Ze kwamen tot de conclusie dat de as verrassend goed werkte, waarbij het plastic werd afgebroken tot een heldere, kristallijne substantie die bekend staat als BHET. Deze substantie is precies de bouwsteen die wordt gebruikt bij de productie van nieuw, hoogwaardig plastic. Het team bepaalde de ideale condities voor deze reactie en stelde vast dat het gebruik van een specifieke hoeveelheid as, het verhitten van het mengsel tot net onder de 200 graden Celsius, en het uitvoeren van het proces gedurende ongeveer twee uur de beste resultaten opleverde. Ze bereikten een rendement waarbij bijna 88 procent van het plastic succesvol werd omgezet, een cijfer dat ook hoog bleef toen ze de katalysator testten op gekleurde plastic flessen, wat bewees dat kleurstoffen de reactie niet tegenhielden.

In een apart maar gerelateerd experiment gebruikte het team dezelfde sinaasappelschilaas om biodiesel te maken van sojaolie. Biodiesel wordt gecreëerd door olie met alcohol te mengen, maar deze reactie heeft normaal gesproken een katalysator nodig om snel en volledig te verlopen. De onderzoekers mengden sojaolie met methanol en een kleine hoeveelheid van hun as-katalysator. Ze ontdekten dat de reactie efficiënt verliep, zelfs bij kamertemperatuur, hoewel het licht verwarmen tot 65 graden Celsius ervoor zorgde dat het proces veel sneller voltooid werd. Onder de beste omstandigheden hielp de as om bijna alle sojaolie in biodiesel om te zetten, waarbij heel weinig afval achterbleef. De resulterende brandstof voldeed aan internationale standaarden voor veiligheid en prestaties, aangezien het de juiste viscositeit bezit om door motoren te stromen en het juiste vlampunt heeft om veilig te kunnen hanteren. Dit is significant omdat veel andere katalysatoren gemaakt van plantaardig afval complexe warmteprocessen met hoge temperaturen vereisen om actief te worden, terwijl deze as effectief werkte met minimale voorbereiding.

Het geheim van het succes van de as ligt in de chemische samenstelling ervan. Wanneer de onderzoekers het materiaal analyseerden, vonden ze dat het rijk was aan kalium, calcium en magnesium, samen met andere mineralen. Deze elementen vormen een mengsel van basisverbindingen die dienen als de actieve locaties waar de chemische reacties plaatsvinden. De as heeft een sponsachtige, poreuze structuur waardoor de vloeibare reactanten gemakkelijk doorheen kunnen stromen, wat ervoor zorgt dat de reactie over het hele materiaal plaatsvindt in plaats van alleen aan het oppervlak. Het team testte ook of de as opnieuw kon worden gebruikt. Na elk gebruik wassen en droogden ze de katalysator, waarbij ze ontdekten dat de as meerdere cycli kon worden hergebruikt voordat de effectiviteit begon af te nemen. Hoewel de activiteit in de loop der tijd afnam naarmate sommige van de actieve mineralen werden weggewassen, bleef de katalysator functioneel voor meerdere rondes, wat suggereert dat het een praktische, langetermijnoplossing zou kunnen zijn voor industrieel gebruik.

Dit werk benadrukt een verschuiving in hoe we landbouwafval zouden kunnen zien. In plaats van fruit schillen te zien als afval dat moet worden weggegooid, lieten de onderzoekers zien dat ze waardevolle mineralen bevatten die in staat zijn milieuproblemen op te lossen. De studie biedt een duidelijk pad om twee soorten afval – plastic flessen en fruitschillen – om te zetten in waardevolle producten: nieuw plastic en hernieuwbare brandstof. Door een materiaal te gebruiken dat goedkoop, overvloedig en niet-toxisch is, bieden de onderzoekers een potentieel model voor een meer duurzame economie waarin afval niet alleen beheerd, maar getransformeerd wordt in iets nuttigs. De bevindingen suggereren dat met de juiste aanpak, juist de dingen die wij weggooien, de sleutel kunnen worden tot het opschonen van ons milieu en het aandrijven van onze toekomst.