Framtiden för plaståtervinning kan snart bli mycket mindre komplicerad, frustrerande och tråkig. I en ny studie har kemister vid Northwestern University introducerat en ny process för uppcycling av plast som drastiskt kan minska – eller kanske till och med helt undvika – det mödosamma arbetet med att för sortera blandat plastavfall.
Processen utnyttjar en ny, billig nickelbaserad katalysator som selektivt bryter ner polyolefinplast bestående av polyeten och polypropen – den engångsplast som dominerar nästan två tredjedelar av den globala plastkonsumtionen. Detta innebär att industriella användare kan applicera katalysatorn på stora mängder osorterat polyolefinavfall.
När katalysatorn bryter ner polyolefiner omvandlas den lågvärdiga fasta plasten till flytande oljor och vaxer, som kan återvinnas till högvärdiga produkter, inklusive smörjmedel, bränslen och ljus. Den nya katalysatorn kan inte bara användas flera gånger, utan kan också bryta ner plast som är förorenad med polyvinylklorid (PVC), en giftig polymer som gör plasten ”återvinningsbar”.
Studien, ”Stable single-site organo-Ni catalyst preferentially hydrogenolyzes branched polyolefin C-C bonds” (Stabil organisk Ni-katalysator med en enda verkningsplats hydrogenolyserar företrädesvis grenade polyolefin C-C-bindningar), är publicerad i Nature Chemistry.
”Ett av de största hindren för plaståtervinning har alltid varit nödvändigheten av att noggrant sortera plastavfall efter typ”, säger Tobin Marks från Northwestern, studiens huvudförfattare. ”Vår nya katalysator kan kringgå detta kostsamma och arbetsintensiva steg för vanliga polyolefinplaster, vilket gör återvinningen mer effektiv, praktisk och ekonomiskt lönsam än dagens strategier.”
”När människor tänker på plast tänker de troligen på polyolefiner”, säger Yosi Kratish från Northwestern, medförfattare till artikeln.
”I princip är nästan allt i ditt kylskåp polyolefinbaserat: pressflaskor för kryddor och salladsdressingar, mjölkförpackningar, plastfolie, soppåsar, engångsbestick, juiceförpackningar och mycket mer. Dessa plaster har en mycket kort livslängd, så de är oftast engångsartiklar.
Om vi inte har ett effektivt sätt att återvinna dem hamnar de på soptippar och i miljön, där de ligger kvar i årtionden innan de bryts ned till skadliga mikroplaster.”
Marks är katalysexpert och Vladimir N. Ipatieff-professor i katalytisk kemi vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences samt professor i kemisk och biologisk teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering. Han är också knuten till Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy. Kratish är forskningsassistent i Marks grupp och knuten till Trienens Institute.
Qingheng Lai, forskningsassistent i Marks grupp, är studiens försteförfattare. Marks, Kratish och Lai ledde studien tillsammans med Jeffrey Miller, professor i kemiteknik vid Purdue University, Michael Wasielewski, Clare Hamilton Hall-professor i kemi vid Weinberg, och Takeshi Kobayashi, forskare vid Ames National Laboratory.
Polyolefinens dilemma
Från yoghurtbägare och snacksförpackningar till schampoflaskor och medicinska masker – de flesta människor kommer i kontakt med polyolefinplast flera gånger om dagen. Tack vare sin mångsidighet är polyolefin den mest använda plasten i världen.
Enligt vissa uppskattningar producerar industrin mer än 220 miljoner ton polyolefinprodukter globalt varje år. Enligt en rapport från 2023 i tidskriften Nature är återvinningsgraden för polyolefinplast dock alarmerande låg, mellan mindre än 1 % och 10 % globalt.
Den främsta orsaken till denna nedslående återvinningsgrad är polyolefinens robusta, envisa sammansättning. Den innehåller små molekyler som är sammanlänkade med kol-kolbindningar, som är kända för att vara svåra att bryta.
”När vi utformar katalysatorer riktar vi in oss på svaga punkter”, säger Kratish. ”Men polyolefiner har inga svaga länkar. Varje bindning är otroligt stark och kemiskt icke-reaktiv.”
Problem med nuvarande processer
För närvarande finns det bara ett fåtal, mindre än idealiska processer som kan återvinna polyolefin. Det kan strimlas till flingor, som sedan smälts och nedcykles för att bilda plastpellets av låg kvalitet. Men eftersom olika typer av plast har olika egenskaper och smältpunkter kräver processen att arbetarna noggrant separerar olika typer av plast.
Även små mängder av andra plaster, matrester eller icke-plastmaterial kan kompromettera en hel sats. Och de komprometterade satserna hamnar direkt på deponin.
Ett annat alternativ är att värma plasten till otroligt höga temperaturer, upp till 400 till 700 grader Celsius. Även om denna process bryter ned polyolefinplast till en användbar blandning av gaser och vätskor, är den extremt energikrävande.
”Allt kan förstås brännas”, säger Kratish. ”Om man tillför tillräckligt med energi kan man omvandla vad som helst till koldioxid och vatten. Men vi ville hitta ett elegant sätt att tillföra minsta möjliga mängd energi för att få ut maximalt värde ur produkten.”
Precisionskonstruktion
För att hitta den eleganta lösningen tittade Marks, Kratish och deras team på hydrogenolys, en process som använder vätgas och en katalysator för att bryta ner polyolefinplast till mindre, användbara kolväten. Även om det redan finns metoder för hydrogenolys, kräver de vanligtvis extremt höga temperaturer och dyra katalysatorer tillverkade av ädelmetaller som platina och palladium.
”Produktionen av polyolefin är enorm, men de globala reserverna av ädelmetaller är mycket begränsade”, säger Lai.
”Vi kan inte använda hela metalltillgången för kemi. Och även om vi gjorde det skulle det fortfarande inte räcka för att lösa plastproblemet. Det är därför vi är intresserade av metaller som finns i överflöd på jorden.”
För sin polyolefinåtervinningskatalysator pekade Northwestern-teamet ut katjoniskt nickel, som syntetiseras från en riklig, billig och kommersiellt tillgänglig nickelkomponent. Medan andra nickelbaserade nanopartiklar har flera reaktionsställen, designade teamet en molekylär katalysator med ett enda reaktionsställe.
Denna design gör att katalysatorn fungerar som en högspecialiserad skalpell – som företrädesvis skär av kol-kolbindningar – snarare än ett mindre kontrollerat trubbigt instrument som slumpmässigt bryter ner hela plastens struktur.
Som ett resultat möjliggör katalysatorn selektiv nedbrytning av grenade polyolefiner (såsom isotaktisk polypropen) när de blandas med ogrenade polyolefiner – vilket effektivt separerar dem kemiskt.
”Jämfört med andra nickelbaserade katalysatorer använder vår process en katalysator med en enda verkningspunkt som fungerar vid en temperatur som är 100 grader lägre och vid halva vätgasstrycket”, säger Kratish. ”Vi använder också tio gånger mindre katalysatorbelastning, och vår aktivitet är tio gånger större. Så vi vinner i alla kategorier.”
Accelererad av förorening
Med sin enda, exakt definierade och isolerade aktiva plats har den nickelbaserade katalysatorn en oöverträffad aktivitet och stabilitet. Katalysatorn är så termiskt och kemiskt stabil att den behåller kontrollen även när den utsätts för föroreningar som PVC. PVC används i rör, golv och medicintekniska produkter och ser ut som andra typer av plast, men är betydligt mindre stabil vid upphettning.
Vid nedbrytning frigör PVC klorvätgas, en mycket frätande biprodukt som vanligtvis inaktiverar katalysatorer och stör återvinningsprocessen.
Otroligt nog klarade Northwesterns katalysator inte bara PVC-föroreningar, utan PVC påskyndade faktiskt dess aktivitet. Även när den totala vikten av avfallsblandningen bestod av 25 % PVC fann forskarna att deras katalysator fortfarande fungerade med förbättrad prestanda.
Detta oväntade resultat tyder på att teamets metod kan övervinna ett av de största hindren för återvinning av blandad plast – att bryta ner avfall som för närvarande anses ”återvinningsbart” på grund av PVC-föroreningar. Katalysatorn kan också regenereras över flera cykler genom en enkel behandling med billigt alkylaluminium.
”Det har alltid varit förbjudet att tillsätta PVC i en återvinningsblandning”, säger Kratish. ”Men tydligen gör det vår process ännu bättre. Det är galet. Det är definitivt inte något som någon hade förväntat sig.”
Mer information: Qingheng Lai et al, Stable single-site organonickel catalyst preferentially hydrogenolyses branched polyolefin C–C bonds, Nature Chemistry (2025). DOI: 10.1038/s41557-025-01892-y
