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)
Полиэтилентерефталат (PET) — один из наиболее широко используемых в мире пластиков, с десятками миллионов тонн, производимых ежегодно для изготовления бутылок, упаковки пищевых продуктов и волокон для одежды. Из-за своей долговечности ПЭТ сложнее эффективно переработать.
Новый метод переработки ПЭТ
Исследователи разработали метод разрушения ПЭТ с помощью механических сил вместо тепла или агрессивных химикатов. В журнале Chem были опубликованы результаты, демонстрирующие, как «механохимический» метод — химические реакции, вызванные 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 Голабек 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 испытали бы в машине, называемой шаровой мельницей.
Это позволяет ПЭТ вступать в реакцию с другими твёрдыми химическими веществами, такими как гидроксид натрия (NaOH), генерируя достаточно энергии для разрушения 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», — сказал Зиверс. «Это может превратить переработку пластика в более устойчивый процесс».
Демонстрация процесса
Для демонстрации процесса исследователи использовали контролируемые эксперименты с одиночными ударами вместе с передовым компьютерным моделированием, чтобы отобразить, как энергия от столкновений распределяется по пластику и вызывает химические и структурные преобразования.
Эти эксперименты показали изменения в структуре и химии ПЭТ в крошечных зонах, испытывающих разное давление и температуру.
«Это понимание может помочь инженерам разработать системы промышленной переработки, которые будут быстрее, чище и энергоэффективнее», — сказала Голабек.
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.
Высокоразрешающая визуализация и спектроскопия показали, что обычно упорядоченные полимерные цепи стали неупорядоченными в центре кратера, в то время как 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 вызвать химические изменения.
Исследование также показало важность количества энергии, доставляемой 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 механохимическую переработку, максимизируя эффективность при минимизации ненужного использования энергии», — объяснил Зиверс.
Эти результаты указывают на будущее, в котором пластик можно будет полностью переработать обратно в его исходные строительные блоки, а не отправлять на вторичное использование или выбрасывать.
«Этот подход может помочь замкнуть цикл переработки пластиковых отходов», — сказал Зиверс. «Мы можем представить себе системы переработки, в которых обычные пластиковые изделия перерабатываются механохимическим 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 механохимическую переработку к промышленному использованию.
«С учётом миллионов тонн ПЭТ, производимых каждый год, повышение эффективности переработки может значительно сократить загрязнение пластиком и помочь защитить экосистемы по всему миру», — сказала Голабек.
Предоставлено
[Georgia Institute of Technology](https://phys.org/partners/georgia-institute-of-technology/)