Переработка фторопластов, подобных тефлону
Пластики, такие как тефлон, известны своей прочностью и сложностью переработки. Однако прорыв, осуществлённый исследователями из Национального института квантовой науки и технологий (QST), может предложить новое мощное решение.
Команда под руководством старшего главного научного сотрудника доктора Акиры Идесаки разработала метод, использующий облучение электронным пучком (EB) для разрушения политетрафторэтилена (ПТФЭ) на газообразные продукты. Это позволяет эффективно преобразовать твёрдый, термостойкий фторополимер в полезные химические компоненты. Результаты исследования опубликованы в журнале Radiation Physics and Chemistry.
«Применяя тепло во время облучения, мы смогли снизить энергию, необходимую для разложения ПТФЭ, на 50% по сравнению с традиционными методами», — сказал доктор Идесаки. «Это делает крупномасштабную переработку фторопластов гораздо более жизнеспособной».
ПТФЭ, более известный под торговой маркой тефлон, широко используется в электронике, медицинских устройствах и антипригарной посуде. Его устойчивость к высоким температурам и химическим веществам обусловлена прочными связями углерод-фтор, которые также делают его членом экологически устойчивого семейства веществ, известных как PFAS, неформально называемых «вечными химикатами».
Традиционные методы разложения ПТФЭ
Традиционные методы разложения ПТФЭ, такие как пиролиз, требуют чрезвычайно высоких температур (600–1000 °C) и значительного энергопотребления. Команда QST продемонстрировала, что нагрев ПТФЭ до 370 °C и облучение его электронным пучком в воздухе позволили им преобразовать 100% пластика в газ.
Ключевым моментом метода является сочетание тепла с радиацией. Когда порошок ПТФЭ облучался дозой 5 МГрей при 30 °C, разложилось только 10%. Но при 270 °C этот показатель вырос до 86%. При 370 °C было достигнуто полное разложение.
Основными газами, выделяемыми в процессе, были окисленные фторуглеводороды — химические соединения, содержащие фтор и кислород, и перфторалканы — соединения, содержащие фтор и углерод. Исследовательская группа идентифицировала их с помощью газовой хроматографии и масс-спектрометрии. Эти газы могут быть собраны и использованы в качестве сырья в химической промышленности, что способствует более устойчивому и циклическому использованию ресурсов.
Исследователи также обнаружили, что нагревание ПТФЭ во время облучения электронным пучком вызывает изменения во внутренней структуре материала. Мелкие кристаллические единицы внутри материала стали больше, что указывает на реорганизацию материала. Инфракрасный и рентгеновский анализ показал, что большинство окисленных химических веществ было удалено, что означает эффективное разложение ПТФЭ на газ.
«Высокотемпературное облучение не только усиливает разложение, но и изменяет внутреннюю структуру ПТФЭ», — отметил первый автор доктор Хао Ю, исследователь из QST. «Это помогает объяснить, почему процесс становится более энергоэффективным при повышении температуры».
На основе своих данных исследователи подсчитали, что этот новый подход может сократить затраты энергии на переработку ПТФЭ примерно с 2,8–4 МВтч на тонну (типично для пиролиза) на 50% при использовании облучения электронным пучком. Такой уровень эффективности может сделать его коммерчески привлекательным для отраслей, которые производят отходы ПТФЭ.
«Мы надеемся, что эта технология будет способствовать более безопасной, чистой и экономически эффективной переработке высокоэффективных пластмасс», — сказал соавтор доктор Ясунари Маэкава, который руководил исследовательским проектом.
Предоставлено Национальным институтом квантовой науки и технологий.