Английские и китайские химики предложили новый способ переработки полиэтилена и полипропилена с помощью микроволнового излучения. Ученые использовали катализатор из оксида железа и алюминия, который поглощает микроволновое излучение и обеспечивает быстрый и равномерный нагрев пластиковых частиц. Это позволяет свести к минимуму все побочные реакции и извлечь из полимерных отходов до 97 процентов содержащегося там водорода. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Catalysis.
Каждый год в мире производится около 350 миллионов тонн различного пластика, из них более 200 миллионов тонн приходится на упаковку и предметы с коротким сроком использования, которые почти сразу превращаются в твердые бытовые отходы. В настоящее время перерабатывается около десяти процентов пластиковых отходов, в основном термомеханическим способом: сначала их сортируют, моют и высушивают, затем дробят на мелкие кусочки и нагревают для получения однородного расплава. Этот способ требует больших затрат энергии и ухудшает механические свойства материала, поэтому переработать пластик можно ограниченное количество раз. Альтернативный способ переработки — химический, когда молекула полимера «разбирается» на составные части (мономеры), которые потом можно использовать для получения новых полимеров или для других целей.
Эффективность химической переработки зависит от строения полимера: пока что лучших результатов ученые добились в переработке полиэтилентерефталата. Этот полимер содержит в себе сложноэфирные мостиковые группы, поэтому его можно подвергнуть гидролизу, например, под действием ферментов. (В апреле французские химики и инженеры с помощью модифицированного фермента кутиназы совершили прорыв в этой области и сумели расщепить 90 процентов полиэтилентерефталата до его мономеров: терефталевой кислоты и этиленгликоля). Гораздо сложнее разрушить молекулу полиэтилена или полипропилена: эти виды пластика представляют собой полимерные углеводороды (полиолефины), каркас которых состоит только из связей углерод-углерод. Полиолефины не вступают в реакцию гидролиза, и для их химической переработки используется пиролиз и паровой риформинг, которые позволяют получить из полиолефинов сначала смесь легких углеводородов, а затем смесь водорода с угарным газом. Однако, этот процесс тоже требует нагрева до высоких температур (750 градусов Цельсия и выше), что чревато большим количеством выбросов в атмосферу: в 2018 году ученые подсчитали, что один килограмм водорода, полученного из пластиковых отходов, приходится до двенадцати килограммов выброшенного в атмосферу углекислого газа.
Английские и китайские химики под руководством Питера Эдвардса (Peter Edwards) из Университета Оксфорда предложили новый способ переработки полиолефинов с помощью микроволнового излучения и катализатора из смешанного оксида железа и алюминия FeAlOx. Ученые работали с реальными пластиковыми отходами: пластиковыми пакетами (полиэтилен низкой плотности), молочными пакетами (полиэтилен высокой плотности), упаковкой пищевых продуктов (полипропилен) и полимерными губками (полистирол).
Процедура, предложенная Эдвардсом и его коллегами, очень проста: пластик необходимо измельчить в мелкую крошку размером от одного до пяти миллиметров, смешать с порошком FeAlOx и обработать микроволновым излучением в течение 30-90 секунд. Частицы FeAlOx можно использовать несколько раз. В данном случае они выполняют две роли: катализатор, на поверхности которого происходит разрушение полимерных молекул, и нагревательный элемент, который эффективно поглощает микроволновое электромагнитное излучение и превращает его энергию в тепло. Это обеспечивает более быстрый и равномерный нагрев всего пластикового материала, поэтому в реакции образуется меньше побочных продуктов. Кроме того, при таком способе нагрева энергия более эффективно используется для нагрева пластика, нет необходимости нагревать до высоких температур всю камеру, в которой проводится реакция — это делает процесс более дешевым и экологичным.
Количество полученного водорода измеряли методом газовой хроматографии. Больше всего водорода (55,6 миллимоль на грамм материала) удалось извлечь из полиэтилена высокой плотности — примерно 97 процентов всех содержащихся в полимерных молекулах атомов водорода превратились в газообразный водород. Помимо водорода среди газообразных продуктов были обнаружены метан, этан, углекислый газ и угарный газ. Но этих продуктов образовалось не много (в сумме они составляли не более 10 объемных процентов всей полученной газовой смеси), а основная масса потерявшего водород углерода превратилась в многостенные углеродные нанотрубки. Интересно, что полученные нанотрубки оказались однородны по строению и диаметру, поэтому вполне возможно, что в будущем им тоже найдется применение.
Микроволновое излучение уже не в первый раз используют в переработке пластиковых отходов. Например, весной 2020 года американские и индийские ученые с помощью микроволновки превратили полиэтилентерефталат в терефталат натрия, который потом использовали в качестве анода натрий-ионного аккуммулятора.
Наталия Самойлова