本当にゴミが宝物に変わります！中国の科学者は、プラスチック廃棄物からガソリンを作る新しい方法を発見した。収率は最大80％

軽量のショッピングバッグから丈夫な食品包装バッグ、おしゃれな衣料品から建築資材まで、私たちの日常生活のいたるところでポリエチレンプラスチックを目にすることができます。その幅広い応用により、人々の生活ニーズが大幅に向上しました。これに加えて、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があります。

人々が使い捨てプラスチック製品に依存しているため、大量のポリエチレンプラスチック廃棄物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するのが困難です。環境を汚染するだけでなく、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。この状態が長期間続くと、土壌、水源、生態系に重大な悪影響を及ぼすことになります。

では、廃棄ポリエチレンプラスチックを環境に優しい方法でリサイクルし、再利用するにはどうすればいいのでしょうか?

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2024年4月9日、中国の科学者らは、ポリエチレンをリサイクル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有効活用が実現すると期待されている。

研究結果はNature Chemistry誌に掲載された。画像出典: Nature Chemistry 誌

ポリエチレンプラスチックから高品質ガソリンへの変換

廃プラスチックの資源利用は、環境汚染の問題を解決するだけでなく、資源の持続可能な開発も実現できます。廃プラスチックの中でも、ポリエチレンは非極性の「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。

現在、ポリエチレンを変換するための主な戦略は、高温反応（400°C以上）、貴金属触媒、および外部水素源の下でそれを達成することです。厳しい反応条件により、ポリエチレンの産業リサイクルへの応用が制限されます。

研究者らは、ポリエチレンの触媒変換で直面した問題に基づき、構造規定剤としてテトラブチルアンモニウムヒドロキシド（C16H37NO）を使用し、「ワンステップ水熱反応」を採用して、ポリエチレンの触媒変換用の層状自立構造（LSP）を持つ分子ふるいを合成した。

その中で、構造誘導剤は、結晶の合成または成長中に化学反応に特定の配位子または添加剤を加えることにより、分子集合を誘導し、理想的な物理的および化学的特性を持つ高度に結晶化された秩序構造を形成します。層状自立構造 (LSP) は、イオン結合によって結合した陽イオンと陰イオンによって形成されます。追加のサポートなしでも独立して存在できる十分な強度と安定性を備えています。

メソポーラス チャネルはマイクロ ポアとマクロ ポアの中間に位置し、ポア サイズは 2 ～ 50 Nm の範囲です。高度に秩序化された構造と豊富な表面活性を有し、触媒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、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し、反応速度を高めることができます。

従来の分子ふるい材料と比較して、独特の自立構造とより強力なルイス酸部位を備えています。ルイス酸部位は、特定の場所（または領域）で電子対を受け入れ、反応物を吸着して活性化することで触媒作用を達成できる化学種です。分子ふるいの強力なルイス酸部位とその形状選択性は、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、ポリエチレンの変換をより効果的に触媒することができます。

触媒の特性評価（a. 高解像度透過型電子顕微鏡画像、b X線回折画像、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：参考文献[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、つまりガソリンの品質を評価するために使用されます。

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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℃の温度で4時間で高密度ポリエチレンからガソリンへの変換を達成でき、収率は最大80％です。液体製品を検査したところ、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判明しました。オクタン価（88.0）が高く、市販ガソリンのオクタン価（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）はポリエチレンを触媒的に高品質ガソリンに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考え方を提供します。

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：参考文献[1]

廃棄プラスチックによる環境汚染を考えると、私たち自身が行う小さなことから始めることが、環境保護への貢献の始まりです。

日常生活における不要なプラスチック製品（使い捨てストロー、ビニール袋、食器など）の使用を減らし、社会の環境意識の向上を推進します。ゴミの分別も重要なポイントです。リサイクル可能なプラスチックを他のゴミから分別することで、ポリエチレンが自然環境に流入する可能性を減らし、さまざまな資源のリサイクルを促進することができます。誰もが生態文明を推進する責任を果たすべきです。

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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] Zhang Jinqing、Guo Ming、Zhang Yuanwen、他。廃ポリエチレンプラスチックの分解による燃料生産に関する研究の進歩[J]。石油化学技術、2022年。

[4] Gautam KR. 水素化熱分解経路によるポリエチレンからガソリン、中間留分および重質油への新規変換プロセス[J]。国際エネルギー工学ジャーナル、2013年。

企画・制作

中国科学普及協会制作

著者: Shi Chang、物理化学博士

プロデューサー丨中国科学博覧会

編集者: ドン・ナナ

校正：徐来林