Exploring catalysis for selective depolymerisation of polyolefins

Promovendus/a: Brent Smeyers

Promotor(en): Prof. dr. ir. Bert Sels

Plastics zijn onmisbaar in ons dagelijks leven. Ze worden courant gebruikt als verpakkingsmateriaal, maar ook als functionele materialen in huizen, auto’s, en elektrische apparaten. Hoewel de laatstgenoemde toepassingen getypeerd worden door een lange levensduur, worden verpakkingsmaterialen vaak eenmalig gebruikt. Dergelijke verpakkingen bestaan doorgaans uit polyethyleen (PE) en polypropyleen (PP), waarvan de structuur bestaat uit een lange keten van kleinere bouwstenen (ethyleen en propyleen, respectievelijk). Deze bouwstenen worden geproduceerd uit ruwe aardolie, een fossiele grondstof die langzaam meer uitgeput raakt.

De grote hoeveelheden plastic afval, vooral afkomstig van verpakkingen, moeten op een duurzame manier verwerkt worden. Helaas belandt plastic nog vaak op stortplaatsen of wordt het verbrand, wat leidt tot de uitstoot van broeikasgassen zoals CO₂ en andere schadelijke gassen. Dit soort afvalverwerking volgt een lineaire economie waarbij de waarde van het materiaal verloren gaat. Een duurzaam alternatief is mechanische recyclage, waarbij relatief propere stromen worden schoongemaakt, gesmolten en hergebruikt. Chemische recyclage biedt een oplossing voor meer vervuilde stromen, waarbij de lange ketens worden afgebroken tot hun oorspronkelijke bouwstenen, om er vervolgens opnieuw hoogwaardige plastics van te maken.

Een veelbelovende methode binnen chemische recyclage is katalytische pyrolyse. Hierbij wordt het plastic verwarmd tot ongeveer 500 °C in afwezigheid van zuurstof, waardoor de lange keten zal afbreken tot kleinere fragmenten. Een katalysator kan hierbij helpen door het proces efficiënter te laten verlopen met een lager energieverbruik tot gevolg. Daarnaast help een katalysator om het aandeel aan nuttige producten te verhogen.

Hoewel plastics chemische gelijkenissen vertonen met ruwe aardolie, brengt het chemisch recyclageproces unieke uitdaging met zich mee. Daarom is er nood aan nieuwe katalysatoren die specifiek zijn afgestemd op plastics. Het ontwikkelen van zulke katalysatoren gebeurt het best eerst op milligram schaal. Daartoe worden thermogravimetrische analyse (TGA) en micropyrolyse courant gebruikt als eenvoudige en snelle technieken. Helaas zijn wereldwijd gegenereerde onderzoeksresultaten door deze toestellen moeilijk te vergelijken door verschillen in aanpak en interpretatie. In dit onderzoek wordt daarom een gestandaardiseerde methodologie voorgesteld die katalysatoren beoordeelt op hun activiteit, stabiliteit en selectiviteit, waarbij voor elk karakteristiek een gepaste parameter wordt geïntroduceerd om data analyse en interpretatie te verbeteren. Daarnaast werden geselecteerde katalysatoren ook getest op grotere schaal (x1000), om na te gaan of resultaten van de milligram toestellen vertaalbaar zijn naar grotere relevante processen.

De methodologie werd eerst gebruikt voor de evaluatie van meer dan zestig katalysatoren, waaruit twee diepgaandere casestudies werden geselecteerd. De eerste situeert zich in een context van katalysatorontwikkeling en -optimalisatie. De tweede casestudie bekijkt twee andere typen katalysatoren die gebruikt kunnen worden in een tweestapsproces, waarbij eerst een vloeibaar tussenproduct wordt gemaakt dat vervolgens wordt omgezet in herbruikbare bouwstenen. Deze studie illustreert hoe correct uitgevoerde katalysator testen op milligram schaal kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van geavanceerde recyclage van plastics.