Полиэтилен можно перерабатывать и получать ценные химикаты. Разрабатывается одноступенчатый низкотемпературный каталитический метод превращения полиэтиленовых полимеров в алкилароматические углеводороды.
Когда человечество осваивало производство пластмасс, новых для своего времени материалов, о проблеме утилизации отходов никто не задумывался. Сейчас, через более чем семьдесят лет от начала «пластиковой эры», проблема очевидна: произведены миллиарды тонн пластика, и почти вся эта масса стала непереработанным мусором (или ранее невиданной горной породой — см. «Как пластик изменяет мир»).
Корень проблемы — в экономике: произвести пластиковую бутылку дешевле, чем переработать использованную. В стенах Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (University of California, Santa Barbara) разрабатывается потенциально не слишком затратная технология переработки полиэтилена (треть всех произведённых в мире пластмасс) в ценный продукт — алкилароматические углеводороды.
Материалы исследования, проведённого под руководством Сюзанны Скотт (Susannah Scott) и Махди Абу-Омара (Mahdi Abu-Omar) опубликованы в журнале Science.
Мы уже привыкли жить в «пластмассовом мире» — к длительному сроку хранения упакованных продуктов, стерильным одноразовым медицинским приспособлениям и материалам, дешёвым и лёгким предметам быта.
«Есть много хорошего в пластиках, не надо об этом забывать, — говорит профессор химии и химической инженерии Сюзанна Скотт. — Но мы понимаем, что существует действительно серьёзная проблема их утилизации по истечении срока службы».
Химическая стабильность пластика делает его незаменимым, и она же превращает его в крайне неприятный мусор. Пластиковые трубы не ржавеют и не загрязняют воду, в пластиковых бутылках можно хранить едкие химикаты, существуют жаростойские пластиковые покрытия.
И это значит, выброшенный пластиковый мусор будет разлагаться очень долго. А переработка его — энергоёмкое занятие. Печальный факт — сделать новый пластик из нефти заметно дешевле, чем переработать старый. Цель работы команды Скотт и Омара — научиться эффективно пересобирать полимеры.
«Если бы мы могли преобразовывать полимеры непосредственно в более ценные молекулы, полностью исключив энергозатратный шаг разрушения полимера на составляющие, то у нас был бы высокоэффективный процесс с низким энергетическим следом», — говорит Скотт.
Такой подход привёл к созданию нового тандемного каталитического метода, который не только создаёт алкилароматические углеводороды непосредственно из полиэтиленпластика, но и делает это недорого и без лишнего расхода энергии.
«Мы снизили температуру реакции на сотни градусов», — рассказывает Скотт. Известные методы требуют температуры от 500 до 1000°C, чтобы разбить полиолефиновые цепи на мелкие кусочки и превратить их в смесь газа и жидкости с выпадением углеродного осадка, в то время как оптимальная температура для нового каталитического процесса находится в районе 300°C.
Относительно мягкие условия реакции помогают расщеплять полимеры более избирательно — до сравнительно крупных молекул.
«И мы сократили количество шагов в этом процессе, потому что не делаем многократных преобразований», — утверждает Скотт.
Кроме того, предложенный процесс не требует использования растворителя или добавленного водорода. Нужен катализатор — используется платина на глинозёме (Pt/Al2O3) — тогда происходит «тандемная» реакция, которая одновременно разрывает жёсткие углерод-углеродные связи и перестраивает молекулярный «скелет» полимера. Образуются структуры с характерными шестигранными кольцами — алкилароматические углеводороды, которые нужны для производства растворителей и красок, смазочных материалов, моющих средств, фармацевтических препаратов и многого другого.
Представленный метод открывает новое направление в жизненном цикле пластмасс, в котором отработанные полимеры могут стать ценным сырьём вместо того, чтобы лежать на свалках или загрязнять мировой океан.
