Эпоха предварительной сортировки смешанных пластиковых отходов может скоро закончиться. Секрет кроется в дешёвом катализаторе на основе никеля, который нацелен на один из самых проблемных полимеров. Результаты исследования опубликованы 2 сентября в журнале Nature Chemistry.
Переработка пластика: нерешённая задача
Несмотря на десятилетия усилий по всему миру, переработка пластика остаётся сложной задачей. Основная проблема связана с группой полимеров, называемых полиолефинами. Ежегодно человечество производит около 220 миллионов тонн изделий на основе полиолефинов, большинство из которых — одноразовые предметы, такие как бутылки для приправ, молочные кувшины, пластиковая плёнка, мешки для мусора и коробки для сока.
«По сути, почти всё в вашем холодильнике сделано из полиолефинов», — заявил химик из Северо-Западного университета и соавтор исследования Йоси Кратиш.
Пластики обычно перерабатывают с помощью катализаторов — соединений, способных использовать слабые химические связи для запуска разложения материалов, которые в противном случае разлагаются сотни или тысячи лет.
Однако мы ежегодно перерабатываем менее 10 процентов изделий из полиолефинов, что приводит к образованию гор отходов, предназначенных для свалок или промышленных печей. Это связано с тем, что, хотя другие пластики обычно перерабатываются с помощью катализаторов, полиолефины — это отдельная история. Эти устойчивые полимеры сопротивляются разрушению из-за крошечных молекул, связанных между собой прочными углерод-углеродными связями.
«У полиолефинов нет слабых звеньев. Каждая связь невероятно прочная и химически нереактивная», — сказал Кратиш.
Текущие решения — это скорее временные меры
Наши нынешние решения — это не столько решения, сколько временные меры. Изделия из полиолефинов можно измельчать, плавить и перерабатывать в пластиковые гранулы низкого качества, но даже в этом случае есть свои подводные камни. Ручная сортировка всё ещё необходима, и даже малейшее количество остатков пищи или непластиковых материалов может испортить всю партию. Между тем для сжигания полиолефинов требуются температуры до 1292 градусов по Фаренгейту.
«Конечно, всё можно сжечь, — сказал Кратиш. — Если приложить достаточно энергии, можно превратить что угодно в углекислый газ и воду. Но мы хотели найти элегантный способ добавить минимальное количество энергии для получения продукта с максимальной ценностью».
Водород и никель — ключ к решению проблемы
Потенциальное решение может заключаться в гидрогенолизе — процессе, в котором комбинация газообразного водорода и катализатора преобразует полиолефиновый пластик в фактически полезные углеводороды. Существующие варианты гидрогенолиза также связаны с высокими температурами и дорогостоящими катализаторами на основе благородных металлов, но команда Кратиша нашла обходной путь.
В отличие от редкоземельных металлов, таких как палладий и платина, инженеры обнаружили, что синтезированная альтернатива, называемая катионным никелем, дешёвая, распространённая и её легко получить. Другие катализаторы на основе никеля включают несколько реакционных центров. Односайтовый вариант катионного никеля позволяет ему функционировать более точно, подобно лазеру или острому ножу. Вместо того чтобы разрушать всю структуру пластика, этот вариант специально нацелен на устойчивые углерод-углеродные связи при гораздо более низкой температуре и с половиной давления газообразного водорода. Новый катализатор настолько стабилен, что выдерживает воздействие таких известных пластиков с высоким содержанием загрязнителей, как ПВХ.
«Добавление ПВХ в смесь для переработки всегда было запрещено, — сказал Кратиш. — Но, по-видимому, это даже улучшает наш процесс. Это безумие. Этого точно никто не ожидал».
Если новый катализатор окажется масштабируемым и эффективным, он может в значительной степени устранить необходимость в кропотливой предварительной сортировке пластика, а также резко сократить количество микропластика, выбрасываемого в окружающую среду каждый день.