Большинство людей, которые сортируют свои пластиковые отходы для переработки, полагают, что основная их часть будет переработана. Однако современные методы переработки, которые «требуют сортировки, измельчения, очистки, переплавки и экструзии для получения пластиковых гранул, обычно приводят к получению материалов более низкого качества из-за загрязнения и механохимической деградации», — пишут авторы нового исследования. В результате только около 10% пластика, поступающего на предприятия по переработке, перерабатывается. Остальное сжигается, отправляется на свалки или попадает в окружающую среду.
В поисках более совершенных методов некоторые исследователи изучили пиролиз, при котором для химического разрушения пластиковых полимеров используется тепло, преобразующее их в энергоёмкие соединения, такие как масла. Но пиролиз требует высоких энергозатрат и создаёт токсичные смеси продуктов, что ограничивает его потенциал в качестве крупномасштабного решения проблемы пластиковых отходов.
Методы, в которых используются катализаторы для систематического разрушения пластмасс с целью их повторного использования, предлагают потенциально более эффективный и продуктивный метод, сообщают учёные, проводившие новое исследование. Однако прогнозирование того, как различные катализаторы и химические промежуточные соединения будут взаимодействовать на разных этапах процесса, является сложной задачей.
«Для решения растущей проблемы пластикового загрязнения многие учёные работают над каталитическими процессами, которые расщепляют пластмассы обратно до компонентов, пригодных для повторного использования», — сказал Барон Питерс, профессор химической и биомолекулярной инженерии в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне, который руководил новым исследованием. «Однако моделирование этих реакций — непростая задача, поскольку реагенты и промежуточные соединения имеют тысячи молекулярных масс и химических функциональных возможностей».
Чтобы преодолеть ограничения существующих подходов к моделированию, исследователи разработали новую систему, которая связывает процессы на молекулярном уровне, включая химические реакции и адсорбцию полимеров на поверхности катализаторов, «с моделями реакторного масштаба, которые балансируют приток расплавленного пластика и отток продуктов с изменяющимся содержанием и реакциями в реакторе», — сказал Питерс.
Результаты исследования опубликованы в журнале Accounts of Chemical Research.
«Новая модель даёт учёным мощный инструмент для извлечения информации на молекулярном уровне из измерений на уровне реактора или для прогнозирования на уровне реактора на основе гипотез о механизмах на молекулярном уровне», — сказала соавтор исследования Лела Манис, доктор философии в Иллинойсе.
«Эти модели помогли нашей команде разработать новые архитектуры катализаторов, которые имитируют природную стратегию процессивной деполимеризации, — сказал соавтор исследования, доктор философии Джианкай Ге. — Они также позволили нам определить условия реакции, которые повышают селективность продуктов с добавленной стоимостью».
Количественные модели каталитического разрушения пластиковых полимеров помогут разработать катализаторы и внедрить решения для решения проблемы пластиковых отходов, считают исследователи.