Используя влагу из воздуха, химики Северо-Западного университета разработали новый простой метод разложения пластиковых отходов.
Нетоксичный, экологически чистый, не содержащий растворителей процесс сначала использует недорогой катализатор для разрыва связей в полиэтилентерефталате (ПЭТ), самом распространенном пластике в семействе полиэфиров. Затем исследователи просто подвергают сломанные части воздействию окружающего воздуха. Используя следовые количества влаги в воздухе, сломанный ПЭТ преобразуется в мономеры — важнейшие строительные блоки для пластика. Исследователи предполагают, что оттуда мономеры могут быть переработаны в новые продукты из ПЭТ или другие, более ценные материалы.
Более безопасная, чистая, дешевая и более устойчивая, чем текущие методы переработки пластика, новая технология предлагает многообещающий путь к созданию круговой экономики для пластика. Исследование было недавно опубликовано в Green Chemistry.
«США — номер один по количеству загрязняющих веществ в виде пластика на душу населения, а мы перерабатываем только 5% этого пластика», — сказал Йоси Кратиш из Northwestern, соавтор исследования. «Существует острая необходимость в более совершенных технологиях, которые могут перерабатывать различные виды пластиковых отходов . Большинство технологий, которые у нас есть сегодня, плавят пластиковые бутылки и перерабатывают их в продукцию более низкого качества.
«Что особенно интересно в нашем исследовании, так это то, что мы использовали влагу из воздуха для расщепления пластика, добившись исключительно чистого и селективного процесса. Восстанавливая мономеры, которые являются основными строительными блоками ПЭТ, мы можем перерабатывать или даже повторно перерабатывать их в более ценные материалы».
«Наше исследование предлагает устойчивое и эффективное решение одной из самых острых экологических проблем в мире: пластиковых отходов», — сказал Навин Малик, первый автор исследования. «В отличие от традиционных методов переработки, которые часто производят вредные побочные продукты, такие как отходы солей, и требуют значительных энергетических или химических затрат, наш подход использует процесс без растворителей, который опирается на следы влаги из окружающего воздуха. Это делает его не только экологически чистым, но и весьма практичным для реальных применений».
Эксперт в области переработки пластика, Кратиш является доцентом кафедры химии в Колледже искусств и наук Вайнберга Северо-Западного университета. Кратиш руководил исследованием совместно с Тобином Дж. Марксом, профессором химии имени Чарльза Э. и Эммы Х. Моррисон в Вайнберге и профессором материаловедения и инженерии в Инженерной школе Маккормика Северо-Западного университета. Во время исследования Малик был постдокторантом в лаборатории Маркса; сейчас он доцент кафедры химии в Институте науки и технологий SRM в Индии.
Пластиковая проблема
Пластики ПЭТ, обычно используемые в упаковке пищевых продуктов и бутылках для напитков, составляют 12% от общего объема пластика, используемого в мире. Поскольку ПЭТ не разлагается легко, он является основным источником загрязнения пластиком. После использования он либо оказывается на свалках, либо со временем распадается на крошечные микропластики или нанопластики, которые часто попадают в сточные воды и водотоки.
Поиск новых способов переработки пластика является горячей темой в исследованиях. Но современные методы разложения пластика требуют жестких условий, включая чрезвычайно высокие температуры, интенсивную энергию и растворители, которые производят токсичные побочные продукты. Катализаторы, используемые в этих реакциях, также часто дороги (например, платина и палладий) или токсичны, создавая еще более вредные отходы. Затем, после проведения реакции, исследователям приходится отделять переработанные материалы от растворителей, что может быть трудоемким и энергоемким процессом.
В предыдущей работе группа Маркса в Северо-Западном университете стала первой, кто разработал каталитические процессы, не требующие растворителей. В новом исследовании группа снова разработала процесс без растворителя.
«Использование растворителей имеет много недостатков», — сказал Кратиш. «Они могут быть дорогими, и вам придется нагревать их до высоких температур. Затем, после реакции, у вас останется суп из материалов, который вам придется сортировать, чтобы извлечь мономеры. Вместо использования растворителей мы использовали водяной пар из воздуха. Это гораздо более элегантный способ решения проблем переработки пластика».
«Элегантное» решение
Для проведения нового исследования ученые использовали молибденовый катализатор и активированный уголь — оба материала недорогие, распространенные и нетоксичные. Чтобы инициировать процесс, ученые добавили ПЭТ к катализатору и активированному углю, а затем нагрели смесь. Полиэфирные пластики — это большие молекулы с повторяющимися звеньями, которые связаны между собой химическими связями. Через короткий промежуток времени химические связи внутри пластика распались.
Затем исследователи подвергли материал воздействию воздуха. С крошечной долей влаги из воздуха материал превратился в терефталевую кислоту (ТФК) — ценный предшественник полиэфиров. Единственным побочным продуктом был ацетальдегид — ценный, легко удаляемый промышленный химикат.
«Воздух содержит значительное количество влаги, что делает его легкодоступным и устойчивым ресурсом для химических реакций», — сказал Малик. «В среднем, даже в относительно сухих условиях, атмосфера удерживает около 10 000–15 000 кубических километров воды. Использование влажности воздуха позволяет нам исключить объемные растворители, сократить потребление энергии и избежать использования агрессивных химикатов, делая процесс более чистым и экологически безопасным».
«Это сработало идеально», — сказал Кратиш. «Когда мы добавили больше воды, это перестало работать, потому что воды было слишком много. Это прекрасный баланс. Но оказалось, что количество воды в воздухе было как раз правильным».
Бесконечные преимущества
Полученный процесс является быстрым и эффективным. Всего за четыре часа было восстановлено 94% возможного ТФА. Катализатор также долговечен и пригоден для вторичной переработки, что означает, что его можно использовать снова и снова без потери эффективности. И метод работает со смешанными пластиками, выборочно перерабатывая только полиэфиры. Благодаря своей селективности процесс обходит необходимость сортировки пластика перед нанесением катализатора — важное экономическое преимущество для отрасли переработки.
Когда команда протестировала процесс на реальных материалах, таких как пластиковые бутылки, рубашки и смешанные пластиковые отходы, он оказался столь же эффективным. Он даже разложил цветной пластик на чистый бесцветный ТПА.
Далее исследователи планируют увеличить масштаб процесса для промышленного использования . Оптимизируя процесс для крупномасштабного применения, исследователи стремятся гарантировать, что он сможет обрабатывать огромные объемы пластиковых отходов.
«Наша технология имеет потенциал для значительного сокращения загрязнения пластиком, снижения экологического следа пластика и содействия круговой экономике, где материалы используются повторно, а не выбрасываются», — сказал Малик. «Это ощутимый шаг к более чистому, более зеленому будущему, и он демонстрирует, как инновационная химия может решать глобальные проблемы, согласуясь с природой».
