Новый технологический процесс, разработанный учеными Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лабораторией Лоуренса (Berkeley Lab), с помощью катализатора превращает полиэтиленовые отходы в молекулы пропилена – продукта, пользующегося большим спросом в производстве полимеров. Об этом сообщает портал Eurekalert. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Полиэтиленовые пластмассы – в частности, вездесущие пластиковые пакеты и ПЭТ-бутылки, повсеместно загрязняющие ландшафт, – крайне трудно перерабатывать. Составляющие их цепи полимерных молекул при переплавлении образуют подобие смеси, годной для использования в качестве настила или других малоценных продуктов.
Изменить такое положение дел способен новый метод, разработанный Калифорнийским университетом в Беркли и Berkeley Lab. В этом техпроцессе используются катализаторы для разрушения длинных цепей полиэтилена на однородные части – в виде трехуглеродной молекулы пропилена, который служит исходным сырьем для производства многих видов высококачественного пластика, таких как полипропилен.
Предыдущие методы разрыва цепей полиэтилена требовали высоких температур и давали только смеси разных компонентов, пользующиеся гораздо меньшим спросом. Новый техпроцесс может не только снизить потребность в производстве пропилена из ископаемого топлива, но и помочь удовлетворить острую потребность индустрии пластмасс в большем количестве экологичного сырья.
Полиэтиленовые пластики составляют около одной трети всего рынка пластмасс во всем мире, при этом более 100 миллионов тонн ежегодно производится из ископаемого топлива, включая природный газ, получаемый путем гидроразрыва пласта, часто называемый сланцевым газом.
Несмотря на программы переработки, в них попадает лишь около 14% всех изделий из полиэтилена. Из-за своей высокой стабильности полиэтиленовые полимеры трудно разложить на составные части или деполимеризовать, поэтому большая часть переработки включает их плавление и формование в другие малоценные продукты, либо простое сжигание в качестве также не особо эффективного топлива.
«Вы не можете взять пластиковый пакет, а затем сделать из него другой пластиковый пакет с такими же свойствами. Но если удастся обратить этот полимерный отход в мономеры, разбить его на мелкие кусочки и повторно полимеризовать, то вместо того, чтобы извлекать больше углеводородного сырья из недр планеты, можно использовать его в качестве сырья для создания других ценных вещей – например, для заполнения имеющегося так называемого пропиленового пробела», – пояснет суть новой разработки Джон Хартвиг, заведующий кафедрой органической химии в Калифорнийском университете в Беркли.
Получив грант Министерства энергетики США на исследование новых каталитических реакций, Хартвиг и его научные сотрудники выдвинули идею разрыва двух углерод-водородных связей на полиэтилене с помощью катализатора. Они провели в этих целях исследования с иридиевым катализатором, затем платино-оловянным и платиново-цинковым вариантами. В итоге, пробив «щель» в броне углерод-водородных связей полимера, они могли затем распутать полимерную цепь путем реакции с этиленом и двумя дополнительными катализаторами, которые взаимодействуют друг с другом.
Помимо этого, в процессе удалось использовать реакцию, называемую метатезисом олефинов (что стало предметом вручения Нобелевской премии в 2005 году) с этиленом, чтобы расщепить углерод-углеродную двойную связь. После этого длинноцепочечный полимер стало возможным разбить на более мелкие кусочки, также содержащие двойную углерод-углеродную связь – но лишь на конце.
Добавление второго катализатора, сделанного из палладия, позволило многократно отрезать молекулы пропилена (трехуглеродные молекулы) от реакционноспособных концов. Результат: 80% полиэтилена было восстановлено до пропилена.
Реакции проводились в жидком растворе с растворимыми («гомогенными») катализаторами. В настоящее время исследователи работают над процессом с использованием нерастворимых («гетерогенных») катализаторов для достижения того же результата, поскольку твердые катализаторы легче использовать повторно.
Группа продемонстрировала, что этот процесс работает с различными полиэтиленовыми пластиками, включая полупрозрачные бутылки из-под молока, непрозрачные бутылки из-под шампуня, полиэтиленовую упаковку и крышки из твердого черного пластика, соединяющие упаковки из четырех алюминиевых банок. Все они были эффективно восстановлены до пропилена, при этом необходимо было удалить только красящие вещества.
Таким образом технология, которая, по оценкам самих ученых, находится пока еще на стадии, далекой от коммерциализации, успешно доказала, что технически реально превратить отходы – не только пластиковые пакеты и упаковку, но и все типы пластиковых бутылок из полиэтилена – в сырьевой продукт, пользующийся большим спросом.