Новое исследование демонстрирует простой и экологичный метод разрушения тефлона — одного из самых прочных пластиков в мире — на полезные химические строительные блоки.
Учёные из Ньюкаслского университета и Университета Бирмингема разработали чистый и энергоэффективный способ переработки тефлона (PTFE) — материала, который широко известен благодаря использованию в антипригарных покрытиях и других приложениях, требующих высокой химической и термической стабильности.
Исследователи обнаружили, что отходы тефлона можно расщеплять и использовать повторно, применяя только металлический натрий и механическую энергию — движение путём встряхивания — при комнатной температуре и без использования токсичных растворителей.
Опубликовав свои выводы в Журнале Американского химического общества, исследователи представили низкоэнергетическую и безотходную альтернативу традиционным методам переработки фтора.
Доктор Роли Армстронг, преподаватель химии в Ньюкаслском университете и автор статьи, сказал: «Процесс, который мы обнаружили, разрушает прочные связи углерод-фтор в тефлоне, превращая его во фторид натрия, который используется в зубных пастах с фтором и добавляется в питьевую воду. Сотни тысяч тонн тефлона производятся в мире каждый год — он используется во всём: от смазочных материалов до покрытий посуды. И в настоящее время существует очень мало способов избавиться от него. Когда срок службы таких продуктов заканчивается, они попадают на свалку. Но этот процесс позволяет нам извлекать фтор и повторно использовать его для создания новых полезных материалов».
Доцент доктор Эрли Лу из Университета Бирмингема прокомментировал: «Фтор — жизненно важный элемент в современной жизни: он содержится примерно в трети всех новых лекарств и во многих передовых материалах. Однако фтор традиционно получают с помощью энергоёмких и сильно загрязняющих окружающую среду методов добычи и химических процессов. Наш метод показывает, что мы можем извлекать его из повседневных отходов и повторно использовать напрямую, превращая проблему утилизации в возможность использования ресурсов».
Политетрафторэтилен (ПТФЭ), более известный под торговой маркой тефлон, ценится за свою устойчивость к высоким температурам и химическим веществам, что делает его идеальным для использования в посуде, электронике и лабораторном оборудовании. Однако те же свойства делают его переработку практически невозможной.
При сжигании или сжигании ПТФЭ выделяются стойкие загрязнители, известные как «вечные химикаты» (PFAS), которые остаются в окружающей среде десятилетиями. Традиционные методы утилизации вызывают серьёзные опасения с точки зрения воздействия на окружающую среду и здоровье.
Исследовательская группа решила эту задачу, используя механохимию — экологичный подход, который запускает химические реакции путём приложения механической энергии вместо тепла.
Внутри герметичного стального контейнера, известного как шаровая мельница, фрагменты металлического натрия измельчаются с тефлоном, что заставляет их вступать в реакцию при комнатной температуре. Процесс разрушает прочные связи углерод-фтор в тефлоне, превращая его в безвредный углерод и фторид натрия — стабильную неорганическую соль.
Исследователи показали, что фторид натрия, полученный таким образом, можно использовать напрямую, без очистки, для создания других ценных фторсодержащих молекул. К ним относятся соединения, используемые в фармацевтике, диагностике и других областях тонкой химии.
Доцент доктор Доминик Кубицки, возглавляющий в Бирмингемском университете группу твёрдотельного ядерного магнитного резонанса (ЯМР), прокомментировал: «Мы использовали передовую твердотельную спектроскопию ЯМР — одну из наших специализаций в Бирмингеме — чтобы заглянуть внутрь реакционной смеси на атомном уровне. Это позволило нам доказать, что процесс производит чистый фторид натрия без каких-либо побочных продуктов. Это прекрасный пример того, как современные методы определения характеристик материалов могут ускорить прогресс в направлении устойчивого развития».
Открытие представляет собой основу для циркулярной экономики фтора, в которой ценные элементы извлекаются из промышленных отходов, а не выбрасываются. Это может значительно снизить воздействие на окружающую среду химических веществ на основе фтора, которые жизненно важны в медицине, электронике и технологиях возобновляемой энергии.
«Наш подход прост, быстр и использует недорогие материалы, — сказал доктор Лу. — Мы надеемся, что он вдохновит на дальнейшую работу по повторному использованию других видов фторированных отходов и поможет сделать производство жизненно важных фторсодержащих соединений более устойчивым».
Работа также подчёркивает растущую важность механохимии — новой области зелёной химии, которая заменяет высокотемпературные реакции или реакции, требующие использования растворителей, простым механическим движением — в качестве инструмента для устойчивых инноваций.
Доктор Кубицки добавил: «Это исследование показывает, как междисциплинарная наука, сочетающая химию материалов с передовой спектроскопией, может превратить один из самых стойких пластиков в нечто полезное. Это небольшой, но важный шаг к устойчивой химии фтора».