本当にゴミが宝物に変わります！廃プラスチックから高品質のガソリンまで、この新しい製造ルートは最大80％の収率を誇ります

制作：中国科学普及協会

著者: Shi Chang (物理化学博士)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：中国科学普及の最先端科学技術プロジェクトは、最先端科学技術の最新動向を理解するために、「トップ科学ジャーナルの理解を助ける」と題する一連の記事を開始しました。これは、権威あるジャーナルから優れた論文を選び、できるだけ早く平易な言葉で解釈するものです。トップジャーナルを通して科学の視野を広げ、科学の楽しさを味わいましょう。

ポリエチレンプラスチックは私たちの日常生活に欠かせないものとなっています。軽量のショッピングバッグから耐久性のある食品包装、ファッショナブルな衣類から一般的な建築材料まで、ポリエチレンプラスチックの幅広い用途は私たちの生活を大きく便利にしてきました。しかし、ポリエチレンプラスチックの使用は、廃棄プラスチックによる環境汚染という無視できない問題も引き起こします。

使い捨てプラスチック製品の使用が増加するにつれて、大量の廃棄ポリエチレンプラスチックが自然環境に廃棄されています。これらのプラスチック廃棄物は分解が難しく、土壌、水源、生態系に長期的な悪影響を及ぼします。

さらに、環境を汚染するとともに、野生動物や植物の生存を脅かし、食物連鎖を通じて間接的に人間の健康にも影響を与えます。では、廃棄ポリエチレンプラスチックを環境に配慮してリサイクル・活用するにはどうすればいいのでしょうか？

廃プラスチック

（写真提供：veerフォトギャラリー）

2024年4月9日、中国の科学者らは、ポリエチレンプラスチックを触媒的に変換して高品質のガソリンを生産するという論文をネイチャー・ケミストリー誌に発表した。これにより、廃棄ポリエチレンプラスチックの高付加価値利用が実現すると期待されている。

研究結果はネイチャー・ケミストリー誌に掲載された。

（画像出典：ネイチャー・ケミストリー誌）

ポリエチレンをガソリンに変える戦略

廃プラスチックの資源利用は、プラスチックによる環境汚染の問題を解決するだけでなく、資源のグリーンかつ持続可能な開発も実現します。廃プラスチックの中でも、ポリエチレンは非極性炭素-炭素結合が低温条件下で活性化および切断されにくいため、変換が非常に困難です。

既存のポリエチレン変換戦略は、主に 400°C を超える高温反応、貴金属触媒、および外部水素源の下で達成されます。厳しい反応条件により、ポリエチレンの工業化学回収におけるこの戦略の適用は制限されます。

研究者らは、ポリビニルアルコール変換戦略が直面している問題に基づいて、構造規定剤としてテトラブチルアンモニウム水酸化物を使用し、一段階の水熱反応を採用して、ポリエチレンの触媒変換のための層状自立構造（LSP）を持つ分子ふるいを合成しました。その中で、構造誘導剤は、結晶の合成または成長中の化学反応において分子集合体を誘導して高度に結晶化された秩序ある構造を形成し、それによって理想的な物理的および化学的特性を得る特定の配位子または添加剤です。層状自立構造とは、陽イオンと陰イオンがイオン結合によって形成する層状構造を指します。この構造は層間に十分な強度と安定性があり、追加のサポートを必要とせずに独立して存在できます。

メソポーラス チャネルとは、孔サイズが 2 ～ 50 ナノメートルのチャネルを指します。これらのチャネルはミクロ細孔とマクロ細孔の間にあり、高度に秩序化された構造と豊富な表面活性を持ち、触媒の性能において重要な役割を果たします。層状の自立型分子ふるいは、外部比表面積が大きく、メソポーラスチャネルが豊富にあるため、触媒反応中に反応物が触媒と完全に接触することができ、反応速度が向上します。ルイス酸部位とは、電子対を受け入れることができる化学物質の特定の位置または領域を指します。この部位は反応物の吸着と活性化を実現し、それによって触媒効果を達成することができます。従来の分子ふるい材料と比較して、層状自立型分子ふるいは、独特の自立型構造とより強力なルイス酸部位を備えています。分子ふるいの強力なルイス酸部位と形状選択性は、ポリエチレンの変換を触媒する上で重要な役割を果たすことができます。したがって、層状の自立型分子ふるいは、ポリエチレンの触媒変換に優れた効果を発揮します。

触媒特性評価

(a. 高解像度透過型電子顕微鏡、b. X線回折、c. 窒素吸着脱着等温線、d、e. NMR特性評価結果、f、g. IR特性評価結果)

（画像出典：参考1）

ガソリンは主に C4 ～ C12 の範囲の炭化水素で構成されており、アルカン、オレフィン、シクロアルカンの混合物です。オクタン価は、ガソリンがシリンダー内でノッキングに抵抗する能力を測定する数値指標です。通常、自動車用ガソリンの性能を評価するために使用されます。ガソリンの品質はオクタン価と正の相関関係にあります。

ガソリンのオクタン価

（写真提供：veerフォトギャラリー）

実験結果によると、本研究で作製した層状自立構造分子ふるい（LSP-Z100）は、外部水素源を使用せずに、240℃で4時間で高密度ポリエチレンをガソリンに変換し、80％以上の収率を達成できることが示されています。同社の液体製品の試験結果では、C4-C12成分が99%を占め、分岐アルカンが72%を占めていることがわかった。研究用オクタン価（88.0）が高く、市販ガソリン（86.6）に匹敵します。

以上の結果から、層状自立構造分子ふるい（LSP-Z100）はポリエチレンを高品質ガソリンに触媒変換する可能性があることがわかります。この研究は、廃ポリエチレンプラスチックの環境汚染問題を解決し、資源の有効活用を実現するための新たな道筋を提供します。

異なる触媒条件下での高密度ポリエチレンの変換率と生成物収率

（画像出典：参考1）

プラスチック汚染の問題について深く考えてみると、変化は小さなことから始まることが多いことに気づくのは難しくありません。日常生活において、使い捨てストロー、ビニール袋、食器など不要なプラスチック製品の使用を減らすことは、廃プラスチックの発生を減らすだけでなく、社会全体の環境意識の向上にもつながります。

さらに、ゴミの分別もプラスチック汚染を減らすための重要なステップです。リサイクル可能なプラスチックを他のゴミから分離し、適切に処分することで、プラスチックが自然環境に流入する可能性が減るだけでなく、資源のリサイクルも促進されます。

ゴミの分別

（写真提供：veerフォトギャラリー）

参考文献:

1.Cen、Z.、Han、X.、Lin、L. 他。層状自己柱状ゼオライトにおける自己供給水素戦略によるポリエチレンからガソリンへのアップサイクリング[J]。ネイチャーケミストリー、2024年。

2. Xie Yufei、Wang Qi、Zeng Junmin、他。廃ポリエチレンプラスチックのリサイクルと応用に関する研究の進歩[J]。プラスチック科学と技術、2022年。

3. 張金青、郭明、張元文ほか。廃ポリエチレンプラスチックを分解して燃料を製造する研究の進歩[J]。石油化学技術、2022年。

4.Gautam KR. 水素化熱分解ルートによるポリエチレンのガソリン、中間留分および重質油への変換の新しいプロセス[J]。International Journal of Energy Engineering、2013年。