Исследователи разработали метод переработки ПЭТ — одного из наиболее широко используемых в мире пластиков — для устойчивой утилизации с помощью механических сил вместо тепла или агрессивных химикатов.
Проблема накопления пластика
Хотя пластик помогает поддерживать современные стандарты жизни, его накопление на свалках и в окружающей среде продолжает расти, вызывая глобальную озабоченность.
Полиэтилентерефталат (ПЭТ) — один из наиболее широко используемых в мире пластиков, десятки миллионов тонн которого ежегодно производятся для изготовления бутылок, упаковки пищевых продуктов и волокон для одежды. Долговечность, которая делает ПЭТ таким полезным, также означает, что его сложнее эффективно переработать.
Механико-химический метод
Новые исследования, опубликованные в журнале Chem, показывают, как «механико-химический» метод — химические реакции, запускаемые механическими силами, такими как столкновения — может быстро преобразовать ПЭТ обратно в его основные строительные блоки, открывая путь к более быстрой и чистой переработке.
Под руководством докторанта Кинги Гоłąбек и профессора Карстена Зиверса из Школы химической и биомолекулярной инженерии Технологического института Джорджии исследовательская группа воздействовала на твёрдые куски ПЭТ металлическими шарами с той же силой, которую они испытывают в машине, называемой шаровой мельницей. Это позволяет ПЭТ вступать в реакцию с другими твёрдыми химикатами, такими как гидроксид натрия (NaOH), генерируя достаточно энергии для разрыва химических связей пластика при комнатной температуре без использования опасных растворителей.
«Мы показываем, что механические воздействия могут помочь разложить пластик на исходные молекулы контролируемым и эффективным способом», — говорит Зиверс. «Это может превратить переработку пластмасс в более устойчивый процесс».
Демонстрация процесса
Для демонстрации процесса исследователи использовали контролируемые эксперименты с одиночными ударами наряду с передовым компьютерным моделированием, чтобы определить, как энергия от столкновений распределяется по пластику и запускает химические и структурные преобразования.
Эксперименты показали изменения в структуре и химии ПЭТ в крошечных зонах, испытывающих разное давление и температуру. Нанеся на карту эти преобразования, команда получила новое представление о том, как механическая энергия может инициировать быстрые и эффективные химические реакции.
«Это понимание может помочь инженерам разработать системы промышленной переработки, которые будут быстрее, чище и энергоэффективнее», — говорит Гоłąbek.
Каждое столкновение создавало крошечный кратер, центр которого поглощал больше всего энергии. В этой зоне пластик растягивался, трескался и даже слегка размягчался, создавая идеальные условия для химических реакций с гидроксидом натрия.
Результаты исследования
Изображения высокого разрешения и спектроскопия показали, что обычно упорядоченные полимерные цепи в центре кратера стали неупорядоченными, а некоторые цепи разбились на более мелкие фрагменты, увеличивая площадь поверхности, контактирующей с реагентом. Даже без гидроксида натрия механический удар сам по себе вызывал незначительное разрушение цепей, показывая, что механическая сила сама по себе может инициировать химические изменения.
Исследование также показало важность количества энергии, передаваемой каждым ударом. Столкновения с низкой энергией лишь незначительно нарушают структуру ПЭТ, но более сильные удары вызывают трещины и пластическую деформацию, обнажая новые поверхности, которые могут вступать в реакцию с гидроксидом натрия для быстрого химического разрушения.
«Понимание этого энергетического порога позволяет инженерам оптимизировать механико-химическую переработку, максимизируя эффективность при минимизации ненужного использования энергии», — пояснил Зиверс.
Эти результаты указывают на будущее, в котором пластмассы могут быть полностью переработаны обратно в их исходные строительные блоки, а не отправлены на захоронение или использованы для производства менее качественных изделий. Использование механической энергии вместо тепла или агрессивных химикатов может сделать переработку более быстрой, чистой и энергоэффективной.
«Такой подход может помочь замкнуть цикл переработки пластиковых отходов», — говорит Зиверс. «Мы можем представить системы переработки, в которых повседневные пластмассы перерабатываются механико-химическим способом, многократно давая отходам новую жизнь и снижая воздействие на окружающую среду».
Команда планирует протестировать реальные потоки отходов и изучить, могут ли аналогичные методы работать для других трудноперерабатываемых пластиков, приближая механико-химическую переработку к промышленному использованию.
«С учётом миллионов тонн ПЭТ, производимых ежегодно, повышение эффективности переработки может значительно сократить загрязнение пластиком и помочь защитить экосистемы по всему миру», — говорит Гоłąбек.