Ежедневно на свалках накапливаются тонны пластиковых отходов. Исследователи разработали способ их эффективной и дешёвой переработки в топливо и другие ценные продукты.
Для этого используется метод пиролиза — процесс термического разложения материалов в отсутствие кислорода. В данном случае с помощью пиролиза из пластика получают компоненты, которые используются для производства топлива и других продуктов.
Исследование провели профессора инженерного факультета Йельского университета Лянбин Ху и Шу Ху, члены Центра инноваций в области материалов и Йельского института энергетических наук.
Обычно при пиролизе для ускорения химических реакций и достижения высокого выхода продукта используют катализаторы. Однако у этого метода есть существенные ограничения.
«Когда речь заходит о катализаторах, они очень дороги, и у них есть проблема срока службы, поскольку катализаторы со временем теряют свои свойства», — говорит Лянбин Ху, профессор электротехники, вычислительной техники и материаловедения в Йельском университете и директор Центра инноваций в области материалов.
Методы, не использующие катализаторы, как правило, имеют низкую эффективность переработки отходов в полезные продукты.
В рамках этого проекта исследователи нашли способ обойти оба этих препятствия и разработали высокоселективный, энергоэффективный метод пиролиза без использования катализатора, который позволяет превращать пластик в ценные химикаты.
Ключевым элементом стал реактор с электрически нагреваемым углеродным столбом, изготовленный с помощью 3D-печати и состоящий из трёх секций с уменьшающимся размером пор. Первая секция изготовлена из пор диаметром в один миллиметр, вторая — из пор размером 500 микрометров, а третья — из пор размером 200 нанометров. Химические вещества, проходя через реактор, взаимодействуют с его иерархической пористой структурой, которая играет ключевую роль в контроле хода реакции.
Это предотвращает продвижение более крупных молекул через реактор до их адекватного разложения. Кроме того, такая структура позволяет контролировать температуру в реакторе, что предотвращает коксование и другие эффекты, которые могут тормозить процесс.
Для тестирования системы исследователи опробовали реактор на образце обычного пластика, известного как полиэтилен. Результаты впечатляют: сообщается о рекордно высоком выходе — почти 66% пластиковых отходов было преобразовано в химикаты, которые можно использовать в качестве топлива.
Использование 3D-печати для создания структуры позволило исследователям точно контролировать размеры пор реактора и исследовать эффекты пиролиза.
Чтобы продемонстрировать более масштабируемую конструкцию, исследователи также использовали устройство, изготовленное из коммерчески доступного углеродного войлока. Они обнаружили, что такая конструкция, даже без оптимизации, которую обеспечивает 3D-печать, всё равно улучшает селективность продуктов пиролиза и позволяет достичь удовлетворительного выхода, превращая более 56% пластика в полезные химикаты.
«Эти результаты очень многообещающие и показывают большой потенциал для внедрения этой системы в реальные условия и предлагают практическую стратегию переработки пластиковых отходов в ценные материалы», — говорит Шу Ху, доцент кафедры химической и экологической инженерии.
Результаты этой работы опубликованы в журнале Nature Chemical Engineering.
В исследовании также принимали участие сотрудники Университета Пердью, Университета Делавэра, Миссурийского университета науки и технологий, Университета Западной Вирджинии, Университета Висконсин-Мэдисон, Принстонского университета, Национальной лаборатории возобновляемой энергии и консорциума BOTTLE.
Источник: Йель.