Catalytic upcycling of polyethylene to dicarboxylic acids

Abstract

In this work, a method for upcycling polyethylene plastics into dicarboxylic acids via catalytic oxidation with air has been explored. The batch process was carried out milder conditions than in the conventional processes, temperatures below 200 ◦C and pressures below 40 bar. The investigated process conditions are significantly milder than in the conventionally used chemical recycling methods, such as pyrolysis and gasification. Four different early transition metal catalysts were tested using 80% acetic acid as a solvent.

The literature review of the thesis explained the current plastic waste mismanagement and reviewed the poor state of polymer recycling around the world. Alarming scenarios of the plastic pollution accumulating in the oceans were noted. The current recycling methods are introduced and their strengths and weaknesses are compared. The many available chemical recycling methods are introduced and compared after which the state-of-the art work in the valorization of polyolefin plastic waste is explored.

The batch reactor experiments performed in this work provide a proof-of-concept for dicarboxylic acid production from polyethylene. The best yield, by weight relative to starting mass, was 24% in the final experiment with cobalt (II) acetate tetrahydrate catalyst and 10-fold excess of 80% acetic acid compared to LDPE.

Tässä diplomityössä tutkittiin menetelmää, jolla polyeteenimuovia voidaan kierrättää dikarboksyylihapoiksi hapettamalla. Panosprosessissa tutkittiin perinteisiä muovien kierrätysmenetelmiä kuten pyrolyysi- ja kaasutusprosesseja miedompia olosuhteita; alle 200 ◦C ja alle 40 bar hapettimen alkupaineessa. Neljää siirtymämetallikatalyyttiä testattiin 80-prosenttisessa etikkahappoliuottimessa.

Työn kirjallisuuskatsauksessa paneuduttiin muovijätteen huonoon keräysmäärään ja tarkasteltiin polymeerien kierrätyksen huonoa tilaa eri puolilla maailmaa. Monia olemassa olevia kemiallisia kierrätysmenetelmiä esitellään, jonka jälkeen tarkastellaan polyolefiinimuovijätteen hyödyntämisen nykytilannetta. Lisäksi työssä vertailtiin nykyisten kierrätysmenetelmien vahvuuksia ja heikkouksia.

Tässä työssä suoritetut panosreaktorikokeet ovat todiste, että dikarboksyylihappojen valmistus polyeteenistä on mahdollista. Paras massaperustainen saanto oli 24%, joka saavutettiin viimeisessä kokeessa, jossa käytettiin koboltti(II)asetaatti tetrahydraattikatalyyttiä ja 10-kertaista massaylimäärää 80 % etikkahappoa LDPE:hen verrattuna.