पॉलीथीन को एक घंटे में विमानन ईंधन में बदल दिया गया

2023 लेखक: Bryan Walter | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2023-05-21 22:25

अमेरिकी रसायनज्ञों ने रूथेनियम-उत्प्रेरित हाइड्रोजनोलिसिस प्रतिक्रिया का उपयोग करके उच्च घनत्व वाले पॉलीथीन को जेट ईंधन में परिवर्तित कर दिया। प्रतिक्रिया एक घंटे में उच्च उपज के साथ हल्की परिस्थितियों में हुई। केम कैटालिसिस पत्रिका में प्रकाशित एक लेख में वैज्ञानिकों ने कहा कि पिछले काम में वे इसी तरह 16 घंटे में पॉलीथीन को ईंधन में बदलने में कामयाब रहे।

पॉलीथीन दुनिया में सबसे लोकप्रिय प्लास्टिक है और इसके प्रसंस्करण का मुद्दा तीव्र है। पॉलीथीन अणु लंबी हाइड्रोकार्बन श्रृंखलाएं हैं - (CH2-CH2) n-, और ईंधन और स्नेहक हाइड्रोकार्बन का मिश्रण होते हैं, जिसके अणु, बदले में, 7-22 कार्बन परमाणु होते हैं। इसलिए, पॉलीइथाइलीन को प्रभावी रूप से डीपोलाइमराइज़ करने का एक तरीका बनाकर, रसायनज्ञ इसे ईंधन में संसाधित करने में सक्षम होंगे।

हालांकि, उच्च ऊर्जा खपत बहुलक रीसाइक्लिंग को चुनौतीपूर्ण बनाती है। उदाहरण के लिए, पॉलीथीन के उत्प्रेरक पायरोलिसिस के लिए 300 डिग्री सेल्सियस से अधिक के तापमान की आवश्यकता होती है, जो आर्थिक रूप से अव्यावहारिक है। इसके अलावा, रैखिक अल्केन्स के अलावा, पायरोलिसिस के दौरान सुगंधित हाइड्रोकार्बन बनते हैं, जो आसानी से कोक में परिवर्तित हो जाते हैं, जिससे उत्प्रेरक निष्क्रिय हो सकता है। नतीजतन, उत्प्रेरक प्रक्रियाओं को विकसित करने की आवश्यकता है जो पॉलीथीन को मामूली प्रतिक्रिया स्थितियों के तहत ईंधन में परिवर्तित कर सके।

पिछले साल, अमेरिकी रसायनज्ञों ने एक प्लैटिनम कोर और एक सिलिका शेल के साथ मेसोपोरस उत्प्रेरक का उपयोग करके हाइड्रोजनोलिसिस (हाइड्रोजन की क्रिया के तहत सी - सी बांड की दरार) द्वारा पॉलीइथाइलीन को डीजल ईंधन और ईंधन तेल में परिवर्तित करने के लिए एक विधि विकसित की। इस अभिक्रिया में किसी विलायक का प्रयोग नहीं किया गया। हालांकि विलायक मुक्त तरीके उच्च उत्पाद पैदावार प्रदान करते हैं, गतिज प्रदर्शन अभी भी एक समस्या है क्योंकि प्रतिक्रिया को पूरा होने में एक दिन से अधिक समय लगता है। इसके अलावा, इस प्रतिक्रिया के लिए उच्च तापमान की आवश्यकता होती है - लगभग 300 डिग्री सेल्सियस।

पॉलीइथाइलीन के डीपोलाइमराइजेशन की प्रक्रिया को एक विलायक का उपयोग करके तेज किया जा सकता है जिसमें बड़े पैमाने पर स्थानांतरण और गर्मी हस्तांतरण की दर को बढ़ाकर प्रतिक्रिया तेजी से आगे बढ़ेगी। इससे पहले हमने लिखा था कि कैसे शंघाई के रसायनज्ञों ने तीन हाइड्रोकार्बन प्रतिक्रियाओं - डिहाइड्रोजनीकरण, मेटाथिसिस और हाइड्रोजनीकरण के संयोजन के आधार पर एक विधि का प्रस्ताव रखा। हाइड्रोजनीकरण और डिहाइड्रोजनीकरण प्रतिक्रियाएं इरिडियम जटिल उत्प्रेरक पर होती हैं, जबकि एल्यूमिना पर समर्थित रेनियम ऑक्साइड का उपयोग मेटाथिसिस में किया जाता है। काम में स्थापित प्रयोगों में, रसायनज्ञों ने एक प्रयोगशाला रिएक्टर में पॉलीइथाइलीन और एक विलायक एन-ऑक्टेन के साथ उत्प्रेरक दोनों को मिलाया। प्रतिक्रिया तापमान 175 डिग्री सेल्सियस तक कम हो गया था, लेकिन इसे पूरा करने में 3 दिन लग गए।

अब चुहुआ जिया के नेतृत्व में वाशिंगटन विश्वविद्यालय के रसायनज्ञों ने उच्च प्रतिक्रिया दर के साथ हल्के परिस्थितियों में विलायक का उपयोग करके एचडीपीई को विमानन ईंधन-उपयोग योग्य हाइड्रोकार्बन में कुशलतापूर्वक परिवर्तित करने के लिए एक विधि विकसित की है। तरल चरण उत्प्रेरक हाइड्रोजनोलिसिस की प्रतिक्रिया कार्बन (आरयू / सी) पर समर्थित रूथेनियम नैनोकणों का उपयोग करके की गई थी। वैज्ञानिकों ने रूथेनियम उत्प्रेरक को चुना क्योंकि इसने एन-हेप्टाडेकेन (17 कार्बन परमाणुओं के साथ) को छोटे हाइड्रोकार्बन में परिवर्तित करने की प्रतिक्रिया में अच्छा प्रदर्शन किया।

ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (टीईएम) का उपयोग करते हुए, रसायनज्ञों ने कई प्रतिक्रिया चक्रों के बाद उत्प्रेरक और छवियों की प्रारंभिक छवि प्राप्त की। औसत उत्प्रेरक कण आकार लगभग 3.1 नैनोमीटर था, लेकिन प्रतिक्रिया के पहले चक्र के बाद, रूथेनियम कण आकार सिंटरिंग के कारण बढ़कर 4.1 नैनोमीटर हो गया। कण एकत्रीकरण ने उत्प्रेरक की दक्षता को कम कर दिया।हालांकि, जैसा कि प्रयोगों ने दिखाया, कण एकत्रीकरण पहले चक्र के बाद ही हुआ, और बाद के चक्रों में रूथेनियम नैनोकणों का आकार व्यावहारिक रूप से अपरिवर्तित रहा।

कण आकार वितरण के टीईएम छवियां और हिस्टोग्राम: (ए) उत्प्रेरक आरयू / सी शुरू करना, (बी) उत्प्रेरक पहले प्रतिक्रिया चक्र के बाद, (सी) दूसरे चक्र के बाद। प्रतिक्रिया की स्थिति: 0.1 ग्राम पॉलीथीन, 0.05 ग्राम आरयू / सी, 25 मिलीलीटर एन-हेक्सेन, 220 डिग्री सेल्सियस, हाइड्रोजन दबाव 20 बार, 1 घंटा।

फिर शोधकर्ताओं ने इष्टतम हाइड्रोजन दबाव - 30 बार का चयन किया, जिस पर प्रतिक्रिया सबसे कुशलता से आगे बढ़ी। जैसे-जैसे दबाव 0 से 60 बार तक बढ़ा, डीपोलाइमराइजेशन प्रतिक्रिया की दर पहले बढ़ी और फिर 30 बार के निशान के बाद घट गई। यह इंगित करता है कि उच्च गैस दबाव प्रतिक्रिया को रोक सकता है।

रसायनज्ञों ने गैर-ध्रुवीय सॉल्वैंट्स पर ध्यान केंद्रित करते हुए विभिन्न सॉल्वैंट्स का भी परीक्षण किया, क्योंकि पॉलीइथाइलीन में ध्रुवीय सॉल्वैंट्स में कम घुलनशीलता होती है (जैसे की तरह घुल जाती है)। इष्टतम कार्बनिक विलायक n-hexane पाया गया। वैज्ञानिकों ने देखा कि विलायक की संरचना ने डीपोलीमराइज़ेशन को बहुत प्रभावित किया है: एन-हेक्सेन जैसे रैखिक सॉल्वैंट्स मिथाइलसाइक्लोहेक्सेन जैसे चक्रीय सॉल्वैंट्स की तुलना में प्रतिक्रिया के लिए अधिक उपयुक्त थे।

पॉलीइथाइलीन डीपोलीमराइजेशन पर विभिन्न सॉल्वैंट्स का प्रभाव।

प्रतिक्रिया के लिए इष्टतम तापमान का चयन करते हुए, केमिस्टों को 150 डिग्री सेल्सियस पर वांछित उत्पाद नहीं मिले, हालांकि, जब 220 डिग्री पर डीपोलाइमराइजेशन किया गया, तो पॉलीइथाइलीन को तरल हाइड्रोकार्बन में परिवर्तित करने की प्रतिक्रिया उच्च उपज में हुई। तापमान में और वृद्धि के साथ, उत्पाद की उपज कम हो गई।

1 घंटे में उड्डयन ईंधन (8-16 कार्बन परमाणु) के लिए उपयुक्त हाइड्रोकार्बन की उपज वजन से अधिकतम 60 प्रतिशत (220 डिग्री सेल्सियस के प्रतिक्रिया तापमान पर, 30 बार के हाइड्रोजन दबाव पर) थी। प्रतिक्रिया में 0.1 ग्राम पॉलीथीन का इस्तेमाल किया गया; 0.05 ग्राम रूथेनियम उत्प्रेरक और 25 मिलीलीटर एन-हेक्सेन विलायक।

जबकि वाशिंगटन विश्वविद्यालय के रसायनज्ञों का पेपर हस्तलिखित रूप में था, मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के केमिस्ट अपने काम में, हाइड्रोजनोलिसिस द्वारा, उसी उत्प्रेरक (आरयू / सी) का उपयोग करके पॉलीइथाइलीन को तरल अल्केन्स में बदलने में सक्षम थे, लेकिन में विलायक की अनुपस्थिति। इष्टतम प्रतिक्रिया स्थितियों (200 डिग्री सेल्सियस, 20 बार हाइड्रोजन) के तहत, पॉलीथीन को 16 घंटे में 45 प्रतिशत उपज के साथ ईंधन-ग्रेड हाइड्रोकार्बन में परिवर्तित किया गया था।

प्लास्टिक रीसाइक्लिंग का मुद्दा अब बहुत प्रासंगिक है: मानव गतिविधि का यह उत्पाद नए स्थानों को प्रदूषित करता है। माइक्रोप्लास्टिक न केवल मिट्टी और जल निकायों में पाए जाते हैं, बल्कि हवा, नमक, मानव मल और मच्छरों में भी पाए जाते हैं। प्लास्टिक के कण अंटार्कटिक अकशेरुकी जीवों की आंतों में भी पाए गए हैं - यानी प्लास्टिक कचरा नाजुक अंटार्कटिक पारिस्थितिक तंत्र के खाद्य जाल में भी घुस गया है।