از شناخت فرایند تبلور زئولیت‌ها تا تولید مواد شیمیایی و سوخت‌های باارزش

طرح پژوهشی مشترک پژوهشگاه شیمی و مهندسی شیمی ایران و مؤسسه تحقیقات فلزات آکادمی علوم چین با عنوان «مشخصه‌یابی درجا فرایند تبلور و طراحی منطقی زئولیت‌ها و کاربرد آن‌ها در تبدیل پسماندهای پلاستیکی به مواد شیمیایی» با سرپرستی دکتر مظفر شاکری و پروفسور بینگ‌سن ژانگ و حمایت مشترک بنیاد ملی علم ایران (INSF) و بنیاد ملی علوم طبیعی چین (NSFC) با موفقیت پایان یافت؛ بنیاد ملی علم ایران نیز انجام تعهدات پژوهشی طرح را طی گواهی رسمی تأیید کرده است. هدف طرح، شناخت سازوکار جوانه‌زنی و رشد زئولیت‌ها، توسعه مسیرهای کم‌هزینه‌تر سنتز، پیوند ساختار کاتالیست با عملکرد و تبدیل پسماندهای پلی‌اتیلنی و پلی‌پروپیلنی به اولفین‌های سبک و سوخت‌های مایع با تشکیل کک کمتر بود.

ضرورت و ساختار همکاری

انباشت پلاستیک‌ها با آلودگی آب و خاک، تشکیل میکروپلاستیک و نانوپلاستیک، اتلاف منابع کربنی و وابستگی بیشتر به منابع فسیلی همراه است؛ در حالی که بازیافت شیمیایی می‌تواند کربن پسماند را به چرخه تولید بازگرداند. در این همکاری که از ارتباط علمی شکل‌گرفته پس از کارگاه بین‌المللی سال ۲۰۱۸ در پژوهشگاه توسعه یافت، گروه ایرانی سنتز زئولیت و آلومینوسیلیکات، مهندسی اسیدیته و بازی، آزمون‌های کراکینگ و تحلیل محصولات را بر عهده داشت و گروه چینی مشخصه‌یابی درجا و شبه‌درجا، پراش پرتو ایکس زمان‌تفکیک‌شده، میکروسکوپی الکترونی و توسعه بخشی از کاتالیست‌های فلزی–زئولیتی را پیش برد. این تقسیم کار، مطالعه زنجیره‌ای کامل از تشکیل بلور تا عملکرد کاتالیست در راکتور را ممکن ساخت.

مهم‌ترین دستاوردهای علمی

تبلور  ZSM-5 و کاتالیست‌های فلزی–زئولیتی: سنتز جامد بدون حلال و الگوی آلی و پایش زمان‌مند آن، سازوکار انحلال–بلورینگی مجدد را روشن کرد و مبنایی برای کنترل اندازه، مورفولوژی، توزیع آلومینیوم و اسیدیته فراهم آورد. کاتالیست‌های Pt–Ru و  Pd-Ag/ ZSM-5نیز با کاهش متان و بهبود پایداری، تبدیل نزدیک به ۹۰ درصد پلی‌اتیلن و گزینش‌پذیری بالا به سوخت مایع نشان دادند.

کائولن ایرانی و زئولیت‌های Y اسیدی–بازی: عناصر قلیایی و قلیایی خاکی طبیعی کائولن، به‌جای حذف به‌عنوان ناخالصی، به اجزای عملکردی تبدیل شدند. زئولیت‌های سلسله‌مراتبی حاصل در مقایسه با HY مرجع تا حدود دو برابر اولفین سبک بیشتر و تا هشت برابر کک کمتر، همراه با آروماتیک‌های سنگین کمتر، تولید کردند.

مهندسی سینتیکی اسیدیته FAU: کنترل زمان تبلور، نسبت و قدرت مراکز اسیدی برونشتد و لوئیس را تنظیم کرد. کاتالیست بهینه تولید اولفین‌های سبک را به حدود ۳۹ درصد رساند و کک را به کمتر از ۵ درصد محدود کرد؛ نتیجه‌ای که اهمیت نوع، مکان و دسترس‌پذیری مراکز اسیدی را فراتر از اسیدیته کل نشان می‌دهد.

آلومینوسیلیکات آمورف غنی از Al^V: این مواد فاقد محدودیت شبکه میکروحفره‌ای، اما دارای مراکز برونشتد و لوئیس قوی و در دسترس بودند و در تبدیل پلی‌اتیلن‌ها و پسماند واقعی بطری، اولفین سبک را افزایش، آروماتیک‌های سنگین را کاهش و در برخی شرایط تشکیل کک را به مقدار ناچیز رساندند.

کامپوزیت / ZSM-5متاکائولن غنی از پتاسیم: سنتز درجا و یک‌مرحله‌ای، نانوکریستال‌های اسیدی را با بستری دارای بازی ملایم و در دسترس ترکیب کرد. کاتالیست بهینه از پسماند غنی از پلی‌اتیلن حدود ۹۵ درصد وزنی گاز تولید کرد که نزدیک ۷۲ درصد آن اولفین سبک بود؛ کک کمتر از یک درصد وزنی و پایداری مناسب در چند چرخه نیز ثبت شد. این نتیجه در سال ۲۰۲۶ در Chemical Engineering Journal منتشر شد.

دکتر شاکری در خصوص اهمیت، دستاوردهای انسانی و مسیر آینده این پروژه افزود:

این دستاوردها می‌توانند با بازگرداندن کربن پسماند به زنجیره تولید اتیلن، پروپیلن، بوتن‌ها و سوخت‌های مایع، به اقتصاد چرخشی کربن و کاهش تدریجی رهاسازی پلاستیک در محیط کمک کنند. کاهش کک نیز بالقوه عمر کاتالیست و مصرف انرژی بازتولید را بهبود می‌دهد و استفاده از کائولن بومی مسیر کاتالیست‌های اقتصادی‌تر را تقویت می‌کند. طرح هم‌زمان بستری برای آموزش دانشجویان و پژوهشگران جوان، تبادل داده و نگارش مشترک، دسترسی متقابل به زیرساخت‌ها و تقویت دیپلماسی علمی ایران و چین بود و تاکنون دست‌کم ۱۲ مقاله مشترک حاصل کرده است. بااین‌حال، نتایج در مقیاس آزمایشگاهی‌اند و انتقال به صنعت به پایلوت، خوراک‌های واقعی متنوع، آزمون‌های بلندمدت، طراحی راکتور، موازنه جرم و انرژی، تحلیل فنی–اقتصادی و ارزیابی چرخه عمر نیاز دارد.

مقالات حاصل از طرح و شبکه همکاری

فهرست کامل ۱۲ مقاله مشترک منتشرشده در چارچوب طرح و همکاری‌های علمی ادامه‌یافته پس از آن:

1. In Situ Synthesized ZSM-5/K-Rich Metakaolin Composites for Selective Upcycling of Plastic Waste to Light Olefins with Low Coke Formation, Chemical Engineering Journal, 2026.
2. Kinetic Regulation of Brønsted and Lewis Acidity in FAU-Type Zeolites for Olefin-Selective Plastic Waste Cracking, Chemical Engineering Journal, 2025.
3. Maximizing Light Olefin Production in the Cracking of Polyethylene Using Hierarchical Acidic–Basic Zeolites, Catalysis Science & Technology, 2025.
4. Synthesis of Acidic–Basic Y Zeolite from Kaolin: Catalytic and Mechanistic Study in the Cracking of Polyethylene, RSC Advances, 2025.
5. Hydrothermal Synthesis of AlV-Rich Nonporous Amorphous Silica–Alumina for Stable Cracking of Plastics Waste into Light Olefins, Advanced Sustainable Systems, 2025.
6. Time-Resolved Dynamic Observation of Solvent-Free and Organic Template-Free Solid-Phase Synthesis Process for Pt/ZSM-5 Encapsulated Structure, CCS Chemistry, 2025.
7. Hydrocracking of Polyethylene to High-Quality Liquid Fuels over Bimetallic PdAg/HZSM-5 Catalyst, Microporous and Mesoporous Materials, 2025.
8. Accurately Tuning the Pore Size and Acidity of Mesoporous Zeolites for Enhancing the Catalytic Hydrocracking of Polypropylene, Journal of Materials Chemistry A, 2025.
9. Effective Methane Suppression in Upcycling of Polyethylene into Fuels via Alloying Platinum with Ruthenium Supported on ZSM-5 Zeolite, Nano Letters, 2025.
10. Constructing the Al Deficiency in Si–O(H)–Al Units Based on Pt/ZSM-5 for Enhanced Hydrocracking of Polyethylene into High-Quality Liquid Fuel, Nano Research, 2024.
11. Selective Upcycling of Polyethylene over Ru/H-ZSM-5 Bifunctional Catalyst into High-Quality Liquid Fuel at Mild Conditions, ChemSusChem, 2024.
12. Structural Regulation of PtCo/Y Zeolite Catalysts for the Selective Hydrogenation of 3-Nitrostyrene to 3-Vinylaniline, ACS Applied Nano Materials, 2023.

تقدیر و تشکر

در پایان، دکتر شاکری از تلاش‌ها و مشارکت مؤثر همکاران و پژوهشگرانی که در مراحل مختلف این مسیر علمی، از سنتز و مشخصه‌یابی کاتالیست‌ها تا انجام آزمون‌های تبدیل پسماندهای پلاستیکی، تحلیل داده‌ها و تدوین مقالات علمی نقش داشتند، قدردانی کرد و دکتر شاکری به‌طور ویژه از زحمات و همکاری‌های علمی ارزشمند همکار ارجمند، جناب آقای دکتر کوروش تبار حیدر، که با دانش تخصصی، همراهی مستمر و مشارکت مسئولانه خود نقش مؤثری در پیشبرد مطالعات و دستیابی به نتایج این طرح داشت، صمیمانه تشکر و قدردانی کرد. وی همچنین از دکتر سمیرا معتمدنژاد، دانش‌آموخته دوره دکتری مهندسی شیمی، و مهندس امیرحسین یدالهی و مهندس مهلا مومنی، دانش‌آموختگان دوره کارشناسی ارشد مهندسی شیمی، به‌دلیل تلاش علمی، مسئولیت‌پذیری، پشتکار و مشارکت ارزشمند آنان در اجرای مطالعات آزمایشگاهی، تحلیل نتایج و تهیه مقالات علمی قدردانی کرد. دکتر شاکری تأکید کرد که دستیابی به نتایج این همکاری بدون همراهی صمیمانه همکاران و حضور فعال و پیگیر پژوهشگران جوان امکان‌پذیر نبود و تربیت نیروی انسانی متخصص، توانمند و آشنا با پژوهش‌های بین‌المللی، از مهم‌ترین و ماندگارترین دستاوردهای این طرح به شمار می‌رود، قدردانی نمود.