Heterogeneous transfer dehydrogenation for catalytic upcycling of polyethylene

Promovendus/a: Tim de la Croix

Promotor(en): Prof. dr. ir. Dirk De Vos, Prof. dr. Dimitrios Sakellariou

Sinds de jaren ’50 is de productie van plastics als goedkope en veelzijdige materialen zeer snel gestegen, met als resultaat een enorme hoeveelheid plastic afval. Het storten of verbranden van plastic moet natuurlijk worden vermeden voor een meer duurzame wereld, met een grotere focus op recycling. Helaas lijden eenvoudige recyclagetechnieken, gebaseerd op het versnipperen en hersmelten van plastics, vaak onder “downcycling”, waarbij de gerecycleerde materialen van lagere kwaliteit zijn dan de oorspronkelijke plastics.

In dit werk wordt een chemische recyclageroute voor polyethyleen, een veel voorkomend plastic, onderzocht, met als doel om plastic afval om te zetten naar nieuwe bouwblokken voor de plasticindustrie.

Eerst werd het concept van de transferdehydrogenatie bestudeerd. Het grootste probleem met chemische recyclage van polyethyleen is dat het volledig bestaat uit ketens van praktisch inerte C-C enkele bindingen, volledig verzadigd met waterstof. Door wat van deze waterstof van de ketens te verwijderen kunnen echter meer reactieve C=C dubbele bindingen gevormd worden, waardoor sites in de ketens ontstaan waar ze door verdere chemische reacties geknipt kunnen worden. Het proces om deze waterstof te verwijderen, de dehydrogenatiereactie, is echter energetisch zeer ongunstig, en zou zeer hoge temperaturen vereisen. Om hiervoor te compenseren werd een waterstofacceptor toegevoegd, zodat een waterstoftransfer kan plaatsvinden voor een meer gunstige netto reactie. Voor deze reactie werden heterogene, ofwel vaste, platina-katalysatoren gebruikt, waardoor de katalysatoren makkelijk van de reactieproducten gescheiden kunnen worden.

Nadien werd de heterogene transferdehydrogenatie toegepast op verschillende stalen polyethyleen, met verdere optimalisaties van de katalysatoren en condities. De producten van deze reacties, polymeerketens met de reactieve dubbele bindingen, werden dan gebruikt in metathese, een reactie waarin de dubbele bindingen gebroken worden en vervangen worden door nieuwe chemische groepen, zoals esters. Dit leidt tot kortere ketens met functionele eindgroepen, die gebruikt kunnen worden om nieuwe polymeren te maken. Dit proces promoot hierdoor meer circulariteit voor de koolstof in deze materialen, en laat toe om polyethyleen afval ter verwerken als nieuwe grondstof in de plasticindustrie.