Product Selection Toward High-Value Hydrogen and Bamboo-Shaped Carbon Nanotubes from Plastic Waste by Catalytic Microwave Processing

催化作用 材料科学 燃烧热 碳纳米管 聚丙烯 废物管理 微波食品加热 热解 产量(工程) 化学工程 纳米技术 复合材料 化学 有机化学 工程类 电信 燃烧
作者
Jinglin Li,Kailun Chen,Lin Li,Siyu Han,Fanzhi Meng,Endian Hu,Weikai Qin,Yuchen Gao,Jianguo Jiang
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:58 (33): 14675-14686 被引量:25
标识
DOI:10.1021/acs.est.4c03471
摘要

The escalating levels of plastic waste and energy crises underscore the urgent need for effective waste-to-energy strategies. This study focused on converting polypropylene wastes into high-value products employing various iron-based catalysts and microwave radiative thermal processing. The Al-Fe catalysts exhibited exceptional performance, achieving a hydrogen utilization efficiency of 97.65% and a yield of 44.07 mmol/g PP. The gas yields increased from 19.99 to 94.21 wt % compared to noncatalytic experiments. Furthermore, this catalytic system produced high-value bamboo-shaped carbon nanotubes that were absent in other catalysts. The mechanism analysis on catalytic properties and product yields highlighted the significance of oxygen vacancies in selecting high-value products through two adsorption pathways. Moreover, the investigation examined the variations in product distribution mechanisms between conventional and microwave pyrolysis, in which microwave conditions resulted in 4 times higher hydrogen yields. The technoeconomic assessment and Monte Carlo risk analysis further compared the disparity. The microwave technique had a remarkable internal rate of return (IRR) of 39%, leading to an income of $577/t of plastic with a short payback period of 2.5 years. This research offered sustainable solutions for the plastic crisis, validating the potential applicability of commercializing the research outcomes in real-world scenarios.
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