私たちの地球はプラスチックで窒息しつつあります。埋め立て地で分解されるまでに何十年もかかる最悪のプラスチックの中には、食品の包装やバンパーなどに使われるポリプロピレンや、ビニール袋、ボトル、おもちゃ、さらには敷き材にも使われるポリエチレンがあります。
ポリプロピレンとポリエチレンはリサイクル可能ですが、そのプロセスは難しく、温室効果ガスであるメタンが大量に発生することがよくあります。これらは両方ともポリオレフィンであり、主に化石燃料から得られる原材料であるエチレンとプロピレンを重合して生成されます。ポリオレフィンの結合は、切断が非常に難しいことでも知られています。
現在、カリフォルニア大学バークレー校の研究者らは、これらのポリマーの結合を容易に切断し、室温でガスであるプロピレンとイソブチレンに変換する触媒を使用する、これらのポリマーのリサイクル方法を考案しました。これらのガスは、新しいプラスチックにリサイクルできます。
「ポリプロピレンとポリエチレンは、混合廃棄物の中で互いに分離するのが最も難しく、最も高価なプラスチックの1つであるため、（リサイクル）プロセスを両方のポリオレフィンに適用することが非常に重要だ」と研究チームは最近サイエンス誌に発表した研究で述べている。
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研究チームが使用したリサイクル プロセスは異性化エテノリシスとして知られており、触媒を使用してオレフィン ポリマー鎖を小さな分子に分解します。ポリエチレンとポリプロピレンの結合は、どちらも単炭素結合の長い鎖を持っているため、化学反応に対して非常に耐性があります。ほとんどのポリマーには少なくとも 1 つの炭素-炭素二重結合があり、これははるかに簡単に分解されます。
異性化エテノリシスは以前にも同じ研究者によって試みられたが、以前の触媒は高価な金属で、プラスチックをすべてガスに変換するのに十分な純度を保てなかった。アルミナにナトリウムを、続いてシリカに酸化タングステンを使用する方がはるかに経済的で効果的であることがわかったが、反応に必要な高温がコストを少し高めた。
どちらのプラスチックも、アルミナ上のナトリウムにさらされると、各ポリマー鎖が短いポリマー鎖に分解され、末端に壊れやすい炭素-炭素二重結合が形成されました。鎖は何度も分解し続けました。その後、どちらもオレフィンメタセシスと呼ばれる 2 番目のプロセスを経ました。反応室に流入するエチレンガス流にさらされ、シリカ上の酸化タングステンに導入され、炭素-炭素結合が破壊されました。
この反応はポリエチレンとポリプロピレンの炭素-炭素結合をすべて破壊し、これらの結合の破壊中に放出された炭素原子は最終的にエチレン分子に付着する。「エチレンは共反応物であるため、この反応には不可欠です」と、研究論文の著者の一人である研究者 RJ Conk 氏は Ars Technica に語った。「破壊された結合はエチレンと反応し、鎖から結合が除去されます。エチレンがなければ、反応は起こりません。」
ポリエチレンが完全にプロピレンに変換され、ポリプロピレンがプロピレンとイソブチレンの混合物に変換されるまで、連鎖全体が触媒されます。
この方法は選択性が高く、つまり目的の製品を大量に生産できます。つまり、ポリエチレンからはプロピレン、ポリプロピレンからはプロピレンとイソブチレンの両方が生産されます。プロピレンは化学産業にとって重要な原料であり、イソブチレンは合成ゴムやガソリン添加剤など、さまざまなポリマーで頻繁に使用されるモノマーであるため、これらの化学物質は両方とも需要が高いです。
混ぜる
リサイクルセンターではプラスチックが混合されることが多いため、研究者はポリプロピレンとポリエチレンが一緒に異性化エテノリシスを受けると何が起こるかを調べたいと考えました。反応は成功し、混合物はプロピレンとイソブチレンに変換され、プロピレンがイソブチレンよりわずかに多くなりました。
混合物には通常、追加のプラスチックという形で汚染物質も含まれています。そのため、研究チームは、汚染物質があっても反応が機能するかどうかも確認したいと考えました。そこで、遠心分離機やパン袋など、通常は廃棄されるプラスチック製品で実験を行いました。これらの製品には、ポリプロピレンとポリエチレン以外のポリマーの痕跡が含まれていました。反応によって得られたプロピレンとイソブチレンは、ポリオレフィンの純粋なバージョンよりもわずかに少ないだけでした。
別のテストでは、PET や PVC などの異なるプラスチックをポリプロピレンとポリエチレンに投入して、違いが出るかどうかを調べました。これらのプラスチックは、収量を大幅に低下させました。このアプローチが成功するには、ポリプロピレンとポリエチレン製品をリサイクルする前に、わずかな痕跡を除いてすべての汚染物質を除去する必要があります。
このリサイクル方法は大量の廃棄物を防げるように思えるが、実現するには規模を大幅に拡大する必要がある。研究チームが実験の規模を拡大したところ、同じ収量が得られ、将来的には有望に思える。それでも、この方法でプラスチック廃棄物を削減するには、相当なインフラを構築する必要があるだろう。
「ここで述べた研究が、新しいポリマーを生産するための実用的な方法につながることを期待しています」と研究者らは同じ研究で述べている。「そうすれば、化石炭素源から出発するこれらの必須の汎用化学物質の生産に対する需要と、それに伴う温室効果ガスの排出を大幅に削減できる可能性があります。」
サイエンス、2024年。DOI: 10.1126/science.adq731