Будущее переработки пластиков может стать намного проще
В новом исследовании химики Северо-Западного университета представили процесс переработки пластика, который может значительно сократить или даже полностью исключить трудоёмкую задачу предварительной сортировки смешанных пластиковых отходов.
Процесс использует новый недорогой катализатор на основе никеля
Этот катализатор селективно разрушает полиолефиновые пластики, состоящие из полиэтиленов и полипропиленов — одноразовые виды, которые составляют почти две трети мирового потребления пластмасс. Это означает, что промышленные пользователи могут применять катализатор к большим объёмам несортированных отходов полиолефинов.
Когда катализатор разрушает полиолефины, низкокачественные твёрдые пластики превращаются в жидкие масла и воски, которые можно повторно использовать для производства более ценных продуктов, включая смазочные материалы, топливо и свечи. Новый катализатор можно использовать многократно, он также способен разрушать пластики, загрязнённые поливинилхлоридом (ПВХ), токсичным полимером, который делает пластики «неперерабатываемыми».
Исследование опубликовано в журнале Nature Chemistry
«Одним из самых больших препятствий в переработке пластика всегда была необходимость тщательной сортировки пластиковых отходов по типам, — сказал Тобин Маркс из Северо-Западного университета, старший автор исследования. — Наш новый катализатор может обойти этот дорогостоящий и трудоёмкий этап для обычных полиолефиновых пластиков, делая переработку более эффективной, практичной и экономически жизнеспособной, чем текущие стратегии».
Полиолефины — самый используемый пластик в мире
«Когда люди думают о пластике, они, вероятно, думают о полиолефинах, — сказал Йоси Кратиш из Северо-Западного университета, соавтор статьи. — Практически всё в вашем холодильнике — бутылки для соусов и заправок, молочные кувшины, пластиковая плёнка, пакеты для мусора, одноразовые столовые приборы, картонные упаковки для соков и многое другое — изготовлено из полиолефинов».
Эффективная переработка необходима
«Если у нас не будет эффективного способа их переработки, то они окажутся на свалках и в окружающей среде, где будут разлагаться десятилетиями, прежде чем превратятся во вредные микропластики», — добавил Кратиш.
Исследование под руководством экспертов в области катализа
Марк — профессор кафедры каталитической химии имени Владимира Н. Ипатьева в Северо-Западном университете и профессор химической и биологической инженерии в Северо-Западном университете. Он также является сотрудником Института устойчивого развития и энергетики имени Паулы М. Триененс. Кратиш — доцент в группе Марка и сотрудник Института Триененс. Цинхэн Лай, научный сотрудник в группе Марка, — первый автор исследования.
Переработка полиолефинов
Марк, Кратиш и Лай совместно руководили исследованием с Джеффри Миллером, профессором химического машиностроения в Университете Пердью; Майклом Василевски, профессором химии имени Клэр Гамильтон Холл в университете Вайнберга; и Такеши Кобаяши, научным сотрудником в Национальной лаборатории Эймса.
Большинство людей взаимодействуют с полиолефиновыми пластиками несколько раз в день. Из-за своей универсальности полиолефины являются наиболее используемым пластиком в мире. По некоторым оценкам, промышленность производит более 220 миллионов тонн полиолефиновых продуктов во всём мире каждый год. Однако, согласно отчёту 2023 года в журнале Nature, уровень переработки полиолефиновых пластиков тревожно низок, составляя от менее 1% до 10% по всему миру.
Основная причина низкого уровня переработки — прочная и упрямая композиция полиолефинов
Он содержит небольшие молекулы, соединённые вместе углерод-углеродными связями, которые, как известно, трудно разрушить. «Когда мы разрабатываем катализаторы, мы нацеливаемся на слабые места, — сказал Кратиш. — Но у полиолефинов нет слабых звеньев. Каждая связь невероятно сильна и химически нереактивна».
Новый катализатор на основе никеля
Для своего катализатора команда из Северо-Западного университета выбрала катионный никель, который синтезируется из доступного, недорогого и коммерчески доступного соединения никеля. В отличие от других катализаторов на основе никелевых наночастиц, команда разработала односайтовый молекулярный катализатор. Односайтовая конструкция позволяет катализатору действовать как высокоспециализированный скальпель — предпочтительно разрезая углерод-углеродные связи, — а не как менее контролируемый тупой инструмент, который без разбора разрушает всю структуру пластика.
В результате катализатор позволяет селективно разрушать разветвлённые полиолефины (такие как изотактический полипропилен), когда они смешаны с неразветвлёнными полиолефинами, эффективно разделяя их химически. «По сравнению с другими катализаторами на основе никеля наш процесс использует односайтовый катализатор, который работает при температуре на 100 градусов ниже и при половине давления газообразного водорода, — сказал Кратиш. — Мы также используем в 10 раз меньше загрузки катализатора, и наша активность в 10 раз выше. Так что мы выигрываем по всем параметрам».
Стабильность и активность никелевого катализатора
Односайтовая конструкция обеспечивает беспрецедентную активность и стабильность никелевого катализатора. Катализатор настолько термодинамически и химически стабилен, что сохраняет контроль даже при воздействии таких загрязнителей, как ПВХ. ПВХ используется в трубах, напольных покрытиях и медицинских приборах. При разложении ПВХ выделяет газообразный хлористый водород, высокоагрессивный побочный продукт, который обычно деактивирует катализаторы и нарушает процесс переработки.
Удивительно, но катализатор Северо-Западного университета не только выдержал загрязнение ПВХ, но и ускорил свою активность. Даже когда общий вес смеси отходов составляет 25% ПВХ, катализатор работает с улучшенной производительностью. Этот неожиданный результат предполагает, что метод команды может преодолеть одно из самых больших препятствий в переработке смешанных пластиков — разрушение отходов, которые в настоящее время считаются «неперерабатываемыми» из-за загрязнения ПВХ.