Американские химики из Северо-Западного университета и Университета Пердью создали катализатор на основе никеля для переработки смешанных пластиковых отходов без необходимости предварительной сортировки.
Бытовые товары и упаковка для пищевых продуктов преимущественно изготавливаются из пластика. Почти весь этот пластик состоит из полиолефинов — полиэтилена и полипропилена, ключевых составляющих одноразового мусора. Из них на переработку попадает менее 10%.
Это связано с тем, что углерод-углеродные связи в полиолефинах очень прочные и отходы очень медленно разлагаются. Пластиковый мусор десятилетиями остается на свалках и в окружающей среде, разлагаясь на опасные микрочастицы.
Переработка пластика также представляет собой проблему. Стаканчики из под йогурта нельзя перерабатывать вместе с упаковками из под молока. Даже крошечный кусок неподходящего полимера может испортить всю партию. Сортировка пластикового мусора, автоматизированная, или вручную, очень сложный и медленный процесс. Из-за этого показатели переработки пластика остаются на крайне низком уровне. Однако катализатор, созданный американскими химиками, работает даже с грязными пластиковыми отходами, содержащими поливинилхлорид.
Ежегодно производится более 220 млн тонн полиолефинов. Согласно отчету Nature за 2023 год, уровень мировой переработки этих отходов составляет менее 10%, а в некоторых случаях, менее 1%. Сортировка настолько затруднена, что большинство смешанных партий пластиковых отходов сразу отправляют на свалку.
«Одним из самых больших препятствий в переработке пластика всегда была необходимость тщательной сортировки пластиковых отходов по типу. Наш новый катализатор может обойти этот дорогостоящий и трудоемкий этап переработки обычных полиолефинов, сделав переработку более эффективной, практичной и экономически выгодной, чем существующие стратегии», — отмечает старший автор исследования Тобин Маркс.
Предложенная американскими учеными система переработки полиолефинов базируется на одноцентровом органоникелевом катализаторе, закрепленном на «суперкислотном» носителе из сульфатированного оксида алюминия. По результатам испытаний в лаборатории, этот катализатор превращал малоценные полиолефины в жидкие масла и воск, которые можно было повторно использовать в качестве смазочных материалов, топлива, или даже как воск для свечей.
Принцип действия катализатора на основе никеля/Nature Chemistry
В отличие от термической обработки, в частности, пиролиза, предусматривающего спекание пластика при температурах 400-700°C, пока тот не растрескается и не превратится в неупорядоченную массу, катализатор на основе никеля работает при температурах около 200°C. Он использует водород для осторожного разрыва углеродных связей.
По сравнению с традиционными никелевыми наночастицами, этот катализатор оказался гораздо более эффективным. В одном из испытаний он превратил практически весь изотактический полипропилен в жидкие углеводороды в течение 20 минут. Показатель конверсии (преобразования) iPP составил 16 граммов на грамм катализатора в час.
При этом катализатор различил разные виды пластика среди общей кучи и выборочно перерабатывал полипропилен, практически не трогая полиэтилен. Это впервые, когда химическим путем удалось достичь такой выборочной сортировки пластиковых отходов.
Поливинилхлорид очень проблемный для переработки. При нагревании он выделяет соляную кислоту, разрушающую оборудование и повреждающую катализаторы. Однако после того, как исследователи добавили ПВХ к смешанным пластиковым отходам, катализатор начал работать еще лучше.
«Добавление ПВХ к смеси в процессе переработки, всегда было под запретом. Но, судя по всему, это делает процесс еще лучше. Это безумие. Такого точно никто не ожидал», — отметил один из руководителей исследования, ученый из Северо-Западного университета Йоси Кратиш.
Полученные учеными данные подтвердили, что небольшое количество соляной кислоты, выделяемой ПВХ, способно восстановить кислотный носитель, помогая катализатору разрывать углеродные связи. Среди имеющихся проблем, уязвимость катализатора к воздуху и снижение эффективности после каждого использования. Однако его можно восстановить с помощью обработки на основе алюминия.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Chemistry
Источник: ZME Science
No Comment! Be the first one.