研究者らがプラスチックを燃料に変える新たなアップサイクル技術を発見

毎年、世界中で3億9000万トン以上のプラスチックが生産されていますが、その半分近くはリサイクルが経済的に困難な使い捨てのものです。

現在、パシフィック・ノースウエスト国立研究所による最近の研究では、これらのプラスチックをコスト効率よくアップサイクルし、燃料やその他の有用な石油製品に変換する新しい方法が示唆されています。 

PNNLがドイツのミュンヘン工科大学のチームと共同で行った研究では、石油業界ですでに利用されている2つの別個だが互換性のあるプロセスが発見され、適切な条件が整えば、このプロセスと連携して適用できる可能性がある。 

この新技術により、ポリエチレン（PE）やポリプロピレン（PP）を含むポリマーの一種であるポリオレフィンを選択的にアップサイクルすることが可能になります。PEプラスチックには、レジ袋、ラップフィルム、スクイーズボトルなどが含まれます。PPプラスチックは、ボトルキャップ、食品保存容器、1回分コーヒーカプセルなどに広く使用されています。 

通常、これらの使い捨てプラスチックを形成する分子結合は、環境中でプラスチックが極めて持続的に存在する原因となっている非常に安定した結合を「分解」するために、熱という形でかなりのエネルギーを必要とします。分解によってこれらの炭素-炭素結合が破壊され、分子はより単純な化合物へと分解されます。

しかし、既存のリサイクル手法では、得られた分子はすぐに制御不能な形で新たな結合を形成します。そのため、中間分子を分解するための更なる処理が必要になります。このような二段階のプロセスには、相当な時間、エネルギー、そしてインフラが必要です。 

先週、サイエンス誌に掲載された研究に基づき、研究者らは、はるかに効率的な新たなプロセスを実証しました。このプロセスでは、アルキル化触媒と呼ばれる触媒を使用し、分解プロセス中に所望の制御された結合を促進します。この反応はイオン性溶媒中で起こり、高酸性環境を提供することで、プラスチックの急速な変換を促進します。

研究者たちは、従来は2段階のプロセスを、はるかにエネルギー効率の高い1段階に統合することで、廃プラスチックを高度に分岐した液体アルカン、気体イソブタン、そして大きなアルカンなどの石油化合物に直接変換することに成功しました。得られたガソリンのような化合物は、不要な副産物を一切残さず、燃料として、あるいは新しいプラスチックの原料として使用することができます。 

「結合を切断するためだけにクラッキングを行うと、制御不能な形で別の結合が形成されてしまいます。これは他のアプローチでは問題となります」と、論文著者でありPNNLの化学者であるオリバー・Y・グティエレス氏は述べています。「ここでの秘密は、私たちのシステムでは、結合を切断すると、すぐに別の結合を狙い通りに形成し、目的の最終生成物を生み出すという点です。これが、低温でのこの変換を可能にする秘密でもあります。」

このプロセスは急速に進行し、プラスチックの完全な変換が完了するまでにわずか 3 時間しかかかりません。

「この3時間という反応時間は驚異的です」とグティエレス氏は述べた。「他の人が報告した変換では、必要な温度は200℃以上で、同量のポリマーを完全に生成するにはもっと長い時間が必要です。」

また、このプロセスは従来の方法よりもはるかに低い温度で反応するため、エネルギーコストを大幅に削減できます。既存の多くの二段階プロセスでは、通常200～250℃の中程度から高い反応温度が必要です。研究者らが「タンデムクラッキングアルキル化」と呼ぶこの新しいPNNL/TUMプロセスは、水の沸点よりもはるかに低い約70℃（華氏158度）で反応させることができます。

この新しいプロセスは、低密度ポリエチレン製品とポリプロピレン製品の両方に適用できます。どちらも通常は路上リサイクルでは回収・処理されません。これは、年間生産されるプラスチックの約半分に相当します。

高密度ポリエチレン（HPDE）などの他のプラスチックもこの技術で処理できますが、触媒が結合を切断するために必要なアクセスを確保するための前処理段階が必要になります。しかしながら、これらのプラスチックをリサイクルするための、比較的効率的な他の方法が既に存在します。

プラスチック廃棄物を燃料に変えるというアプローチは魅力的である一方で、このアプローチには声高な批判もある。プラスチックはほぼ全て化石燃料から作られているにもかかわらず、持続可能という印象を与えてしまうのではないかと懸念する声もある。また、燃料の二酸化炭素排出量についても懸念がある。PNNLの手法であれば、高温処理の戦略に比べて二酸化炭素排出量は少なくなるだろう。さらに、ProPublicaは最近、連邦規制当局がプラスチック由来の燃料生産による健康と環境への影響の管理に苦慮していると報じた。

このプロセスはまだ初期段階であり、分子レベルで何が起こっているのかをより深く理解し、産業規模での使用に最適化するためには、さらなる研究が必要です。このアプローチがスケールアップ可能であれば、膨大な量のプラスチック廃棄物のリサイクル／アップサイクルにおいて、真のゲームチェンジャーとなる可能性があります。さらに、このプロセスは低温であるため、危険性が低く、必要な保護インフラも少なくて済むという利点もあります。 

「安全のために厚い壁やタンクが必要なくなるので、必要な投資額はおそらく少なくなるでしょう」とグティエレス氏は指摘する。「70℃のイオン性溶媒を扱う方が、はるかに高い温度で100気圧に加圧された溶媒を扱うよりも安全です。」

このプロセスは、既存の製油所で、既に工業規模で使用されているプロセスを用いて実施できるという点でも魅力的です。実際、これらの触媒がもたらす化学反応は、現在石油業界でガソリンのオクタン価向上に利用されています。

「産業界がこれらの新興アルキル化触媒の導入に成功しているという事実は、その安定性と堅牢性を証明しています」と、本研究の主任著者であり、PNNL統合触媒研究所所長、そしてミュンヘン工科大学（TUM）化学教授でもあるヨハネス・レルヒャー氏は述べています。「本研究は、廃プラスチックの炭素循環を完結するための実用的な新たな解決策を示しており、これは現在提案されている多くの解決策よりも実用化が近いものです。」

最終的に、このような取り組みは、経済的にも環境的にもはるかに持続可能で、無駄がはるかに少ない将来の循環型経済に大きく貢献する可能性があります。

研究論文「タンデムクラッキング-アルキル化によるポリオレフィンの液体アルカンへの低温アップサイクリング」は、2023年2月24日に科学誌「サイエンス」に掲載され、米国エネルギー省科学局の支援を受けて行われました。