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PETボトルの常温原料化法を開発 ~資源循環型社会を推進する触媒利用化学リサイクル技術~

 国立研究開発法人 産業技術総合研究所(以下「産総研」)は2021年11月8日,産総研 触媒化学融合研究センター ケイ素化学チームが,PETボトルなどに使用され廃棄されたPET樹脂を,従来よりも大幅に低い温度で分解し,原料であるテレフタル酸ジメチルを高収率かつ高純度で回収する触媒技術を開発したことを発表した.この技術の詳細は英国王立化学会が発行するGreen Chemistry誌で発表された(注).

近年,環境汚染問題で,プラスチック製品を効率的にリサイクルするための基盤技術の開発が急務となっている.プラスチックの中でも主要材料のポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂のリサイクル法については,マテリアルリサイクル法とケミカルリサイクル法の2法がある.前者は,回収されたPET樹脂をそのまま溶融・再成形する手法であるが,不純物の影響でリサイクル前の品質に戻すことが困難となる.一方後者は,PET樹脂を一度低分子化合物へと化学的に分解することで,原理的に元のPET製品と同じ品質で製造することが可能であり,SDGs(Sustainable Development Goals)の観点から有望である.しかし,この方法は従来のPET樹脂のケミカルリサイクルとしては,高温,高圧条件下で水やメタノールを用いる方法や,過剰量のエチレングリコールを用いる方法が知られていたが,いずれも200℃以上の高温条件を必要としていた.また,アルカリ触媒とメタノールを用いる方法では,比較的低温(~100℃)での反応が可能であるが,長い反応時間や環境負荷の大きいハロゲン溶媒が必要であるなどの課題が残されていた.高コストになるので,分解温度を低くするためのさまざまなアプローチが盛んに研究されている.

産総研触媒化学融合研究センターは,資源循環型社会実現への貢献を目指して,さまざまな未利用資源を活用するための触媒技術開発を進めてきた.このたび,プラスチックごみリサイクルのための触媒技術開発に着手した.PET樹脂のケミカルリサイクルで,原料から生成物ができる反応(正反応)と生成物が原料に戻る反応(逆反応)が近い速度で進む平衡反応において,正反応でできる副生成物の捕捉により逆反応を制御し,正反応の増進を図る独自のアイデアによって,反応温度の大幅な低温化を実現した.すなわち,PET樹脂の分解反応により生成するテレフタル酸ジメチルとエチレングリコールは,同条件で再び反応し元のPET樹脂へと戻る.しかし副生成物であるエチレングリコールを捕捉すれば,正反応を促進できる.エチレングリコールは加熱で除去できるが200℃の加熱が必要になってしまう.そこで研究チームは,エチレングリコールを炭酸ジメチルで化学的に安定な炭酸エチレンへと変換することで,逆反応を抑制し,正反応を促進するアイデアを着想した.市販の飲料用PETボトルをフレーク状にした試料に,メタノール,炭酸ジメチル,アルカリ触媒であるリチウムメトキシドを適切な比率で混合することにより,室温3時間程度で90%以上のPETが分解することが分かった.次に,反応温度を50℃に設定すると,フレーク状のPETはすべて分解した.この反応で生成するテレフタル酸ジメチルは,反応後の単純な精製操作(ろ過,濃縮,水による洗浄)により,結晶として高純度(>99%)で単離することができ,PETの原料として再利用できる.エチレングリコールの捕捉により出来る炭酸エチレンも,リチウムイオン電池の電解液などとして利用できる高付加価値化成品である.今後はこのリサイクル法の社会実装に向けた諸施策,PET樹脂以外のプラスチックへの研究展開を行う.

(注)Shinji Tanaka, Junichi Satoa, and Yumiko Nakajima, "Capturing ethylene glycol with dimethyl carbonate towards depolymerisation of polyethylene terephthalate at ambient temperature", Green Chemistry, 2021, Advance Article, DOI: 10.1039/D1GC02298A; First published 08 Nov 2021