Наша планета задыхается от пластика. Одними из худших нарушителей, разложение которых на свалках может занять десятилетия, являются полипропилен, который используется для таких вещей, как упаковка пищевых продуктов и бамперы, и полиэтилен, который содержится в пластиковых пакетах, бутылках, игрушках и даже мульче.
Полипропилен и полиэтилен можно переработать, но этот процесс может быть трудным и часто приводит к образованию большого количества метана, вызывающего парниковый эффект. Оба они представляют собой полиолефины, являющиеся продуктами полимеризации этилена и пропилена, сырья, которое в основном получают из ископаемого топлива. Известно, что связи полиолефинов очень трудно разорвать.
Теперь исследователи из Калифорнийского университета в Беркли придумали метод переработки этих полимеров, в котором используются катализаторы, которые легко разрывают их связи, превращая их в пропилен и изобутилен, которые при комнатной температуре являются газами. Эти газы затем могут быть переработаны в новые пластмассы.
«Поскольку полипропилен и полиэтилен являются одними из самых сложных и дорогих пластиков, которые трудно отделить друг от друга в смешанном потоке отходов, крайне важно, чтобы [a recycling] Этот процесс применим к обоим полиолефинам», — заявила исследовательская группа в исследовании, недавно опубликованном в журнале Science.
Разрушая это
Процесс переработки, который использовала команда, известен как изомеризационный этинолиз, который основан на использовании катализатора для расщепления полимерных цепей олефинов на их небольшие молекулы. Полиэтиленовые и полипропиленовые связи обладают высокой устойчивостью к химическим реакциям, поскольку оба этих полиолефина имеют длинные цепи одинарных углерод-углеродных связей. Большинство полимеров имеют по крайней мере одну двойную связь углерод-углерод, которую гораздо легче разорвать.
Хотя те же исследователи и раньше пытались провести изомеризационный этинолиз, предыдущие катализаторы представляли собой дорогие металлы, которые не оставались чистыми достаточно долго, чтобы превратить весь пластик в газ. Использование натрия на оксиде алюминия, а затем оксида вольфрама на диоксиде кремния оказалось гораздо более экономичным и эффективным, хотя высокие температуры, необходимые для реакции, немного увеличивали стоимость.
В обоих пластиках воздействие натрия на оксид алюминия разорвало каждую полимерную цепь на более короткие полимерные цепи и создало на концах разрушаемые двойные углерод-углеродные связи. Цепи продолжали рваться снова и снова. Оба затем подверглись второму процессу, известному как метатезис олефинов. Они подверглись воздействию потока газообразного этилена, поступающего в реакционную камеру, при введении в них оксида вольфрама на диоксиде кремния, что привело к разрыву связей углерод-углерод.
Реакция разрывает все углерод-углеродные связи в полиэтилене и полипропилене, при этом атомы углерода, освобождающиеся при разрыве этих связей, присоединяются к молекулам этилена. «Этилен имеет решающее значение для этой реакции, поскольку он является сореагентом», — рассказал Ars Technica исследователь Р. Дж. Конк, один из авторов исследования. «Разорванные звенья затем вступают в реакцию с этиленом, который удаляет звенья из цепи. Без этилена реакция не может произойти».
Вся цепочка катализируется до тех пор, пока полиэтилен полностью не превратится в пропилен, а полипропилен не превратится в смесь пропилена и изобутилена.
Этот метод обладает высокой селективностью — это означает, что он производит большое количество желаемого продукта: пропилена, полученного из полиэтилена, а также пропилена и изобутилена, полученного из полипропилена. Оба этих химиката пользуются большим спросом; пропилен является важным сырьем для химической промышленности, а изобутилен часто используется в качестве мономера во многих различных полимерах, включая синтетический каучук и присадку к бензину.
Смешивание
Поскольку пластмассы часто смешивают в центрах переработки, исследователи хотели посмотреть, что произойдет, если полипропилен и полиэтилен вместе подвергнутся изомеризующему этинолизу. Реакция прошла успешно, смесь превратилась в пропилен и изобутилен, причем пропилена было немного больше, чем изобутилена.
Смеси также обычно содержат загрязняющие вещества в виде дополнительных пластиков. Поэтому команда также хотела посмотреть, будет ли реакция работать, если в ней будут примеси. Они экспериментировали с пластиковыми предметами, которые в противном случае были бы выброшены, включая центрифугу и мешок для хлеба, оба из которых содержали следы других полимеров, помимо полипропилена и полиэтилена. В результате реакции было получено лишь немного меньше пропилена и изобутилена, чем в случае чистых версий полиолефинов.
Еще одно испытание заключалось в добавлении в полипропилен и полиэтилен различных пластиков, таких как ПЭТ и ПВХ, чтобы посмотреть, повлияет ли это на ситуацию. Это значительно снизило урожайность. Если этот подход будет успешным, то все, кроме малейших следов загрязнений, необходимо будет удалить из полипропиленовых и полиэтиленовых изделий перед их переработкой.
Хотя кажется, что этот метод переработки может предотвратить образование тонн и тонн отходов, для этого его необходимо будет значительно расширить. Когда исследовательская группа увеличила масштаб эксперимента, результат оказался таким же, что выглядит многообещающе на будущее. Тем не менее, нам нужно будет построить значительную инфраструктуру, прежде чем это сможет повлиять на наши пластиковые отходы.
«Мы надеемся, что описанная работа… приведет к практическим методам… [producing] новые полимеры», — сказали исследователи в том же исследовании. «Благодаря этому спрос на производство этих важнейших химических веществ, начиная с источников ископаемого углерода, и связанные с этим выбросы парниковых газов могут быть значительно сокращены».
Эта история первоначально появилась на Арс Техника.