22 ОКТЯБРЯ 2023 Г.
Небольшая часть смешанного потребительского пластика, выброшенного или помещенного в мусорные баки, фактически подвергается вторичной переработке. Почти 90% выбрасывается на свалки или сжигается на коммерческих объектах, генерирующих парниковые газы и переносимые по воздуху токсины. Ни один из результатов не идеален для окружающей среды.
Почему больше смешанного пластика не перерабатывается? Обычно проще и дешевле производить новые пластиковые изделия, чем перерабатывать, сортировать и перерабатывать использованные. Традиционная переработка смешанных пластиков ранее подразумевала ручное или механическое разделение пластиков по составляющим их полимерам.
Решая эту проблему, ученые Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США использовали тщательно спланированный химический дизайн, рассеяние нейтронов и высокопроизводительные вычисления, чтобы разработать новый процесс каталитической переработки. Катализатор избирательно и последовательно разлагает множество полимеров в смешанных пластиках на чистые мономеры — молекулы, которые реагируют с другими молекулами мономеров с образованием полимера . Этот процесс предлагает многообещающую стратегию борьбы с глобальными пластиковыми отходами, такими как бутылки, упаковка, пенопласт и ковры.
В анализе исследователей, опубликованном в журнале Materials Horizons , использование нового многоцелевого катализатора сравнивается с использованием отдельных катализаторов для каждого типа пластика. Новый катализатор будет генерировать до 95% меньше парниковых газов , требовать до 94% меньше затрат энергии и приведет к сокращению потребления ископаемого топлива до 96%.
«Наш подход включает в себя специальный синтетический органокатализатор — соединение, состоящее из небольших органических молекул , которые облегчают органические химические превращения. Органокатализатор может превращать партии смешанных пластиковых отходов в ценные мономеры для повторного использования в производстве пластмасс коммерческого качества и других ценных материалов», — сказал Томонори. Сайто, химик-синтетик из ORNL и автор корреспонденции. «Этот исключительно эффективный химический процесс может помочь замкнуть цикл переработки смешанных пластиков, заменив мономеры первого использования переработанными мономерами.
«Сегодня почти все пластмассы производятся из ископаемого топлива с использованием мономеров первого использования, полученных в результате энергоемких процессов. Создание такого типа переработки замкнутого цикла, если оно будет использоваться во всем мире, могло бы сократить годовое потребление энергии примерно на 3,5 миллиарда баррелей нефти». Сайто добавил.
Решение по переработке более 30% всего пластика
Новый органокатализатор доказал свою способность эффективно и быстро разрушать множество полимеров — примерно за два часа. К таким полимерам относятся те, которые используются в таких материалах, как защитные очки (поликарбонаты), пенопласты (полиуретаны), бутылки для воды (полиэтилентерефталаты), веревки или рыболовные сети (полиамиды), которые вместе составляют более 30% мирового производства пластика. До сих пор не было доказано, что ни один катализатор эффективен в отношении всех четырех этих полимеров.
Этот процесс обеспечивает множество экологических преимуществ, заменяя агрессивные химикаты для разрушения полимеров, а также обеспечивает хорошую селективность, термическую стабильность, нелетучесть и низкую воспламеняемость. Его эффективность в отношении нескольких полимеров также делает его полезным для разрушения растущего количества многокомпонентных пластиков, таких как композиты и многослойная упаковка.
Малоугловое рассеяние нейтронов на источнике нейтронов расщепления ORNL было использовано для подтверждения образования деконструированных мономеров из пластиковых отходов. Метод рассеивает нейтроны под небольшими углами, чтобы охарактеризовать структуру на разных уровнях детализации, от нанометров до долей микрометра.
Преобразование смешанных пластиковых полимеров в настоящий переработанный пластик
Органокатализатор разлагает пластики при различных температурах, что позволяет последовательно извлекать отдельные мономеры отдельно, в пригодной для повторного использования форме. Поликарбонаты разрушаются при 266° F (130° C), полиуретаны — при 320° F (160° C), полиэтилентерефталаты — при 356° F (180° C) и полиамиды — при 410° F (210° C). Другие пластмассы, добавки и сопутствующие материалы, такие как хлопок и полиэтиленовые пакеты, остаются нетронутыми из-за различий в их реакционной способности и впоследствии могут быть восстановлены.
«Разобранные мономеры и органокатализатор растворимы в воде, поэтому мы можем перенести их в воду, где любые примеси, такие как пигменты, можно удалить путем фильтрации», — сказал доктор Арифуззаман, ведущий автор исследования и бывший постдокторант синтетической органической химии в ORNL. Сейчас он является научным сотрудником Innovation Crossroads, генеральным директором и основателем компании Re-Du.
«Затем экстрагируются почти чистые мономеры, оставляя катализатор, который почти полностью восстанавливается путем выпаривания воды и может быть непосредственно повторно использован для нескольких циклов деконструкции».