Но новый процесс, разработанный в Калифорнийском университете в Беркли и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab), может изменить все это. В процессе используются катализаторы для расщепления длинномерных полиэтиленовых полимеров (ПЭ) на однородные куски - трехуглеродную молекулу пропилена, - которые являются сырьем для производства других видов дорогостоящего пластика, такого как полипропилен.

Этот процесс, по общему признанию, находящийся на ранних стадиях разработки, превратил бы отходы - не только пластиковые пакеты и упаковку, но и все виды полиэтиленовых пластиковых бутылок - в основной продукт, пользующийся большим спросом. Предыдущие методы разрыва цепей полиэтилена требовали высоких температур и давали смеси компонентов, пользующиеся гораздо меньшим спросом. Новый процесс может не только снизить потребность в производстве пропилена из ископаемого топлива, часто называемого пропеном, но и помочь восполнить неудовлетворенную в настоящее время потребность индустрии пластмасс в большем количестве пропилена.

"По мере того, как они перерабатываются, многие полиэтиленовые пластики превращаются в низкосортные материалы. Вы не можете взять пластиковый пакет, а затем сделать из него другой пластиковый пакет с теми же свойствами", - сказал Джон Хартвиг, заведующий кафедрой органической химии имени Генри Рапопорта в Калифорнийском университете в Беркли. "Но если вы можете вернуть этот полимерный пакет к его мономерам, разбить его на мелкие кусочки и повторно полимеризировать, то вместо того, чтобы извлекать больше углерода из земли, вы используете его в качестве источника углерода для производства других вещей - например, полипропилена. Мы бы использовали меньше сланцевого газа для этой цели или для других применений пропена, а также для заполнения так называемого пропиленового разрыва".

Полиэтиленовые пластики составляют около трети всего мирового рынка пластмасс, при этом более 100 миллионов тонн ежегодно производится из ископаемого топлива, включая природный газ, получаемый путем гидравлического разрыва пласта, часто называемый сланцевым газом.

Несмотря на программы утилизации - пригодные для вторичной переработки полиэтиленовые изделия обозначаются пластиковыми номерами 2 и 4 - только около 14% всех изделий из полиэтиленового пластика перерабатывается. Из-за своей стабильности полиэтиленовые полимеры трудно расщепить на составные части или деполимеризировать, поэтому большая часть вторичной переработки включает их расплавление и формование в другие изделия, такие как мебель для двора, или сжигание в качестве топлива.

Деполимеризация полиэтилена и превращение его в пропилен - это способ переработки, то есть получения более ценных продуктов из отходов, по сути, нулевой ценности, при одновременном сокращении использования ископаемого топлива.

Хартвиг и его коллеги опубликуют подробности своего нового каталитического процесса на этой неделе в журнале Наука.

Два типа катализаторов

Хартвиг специализируется на использовании металлических катализаторов для введения необычных и реакционноспособных связей в углеводородные цепи, большинство из которых основаны на нефти. Затем к этим реакционноспособным связям могут быть добавлены новые химические группы для образования новых материалов. Углеводородный полиэтилен, который обычно представляет собой полимерную цепочку, состоящую примерно из 1000 молекул этилена - каждый этилен состоит из двух атомов углерода и четырех атомов водорода, - поставил перед его командой сложную задачу из-за его общей нереакционной способности.

Получив грант Министерства энергетики США на исследование новых каталитических реакций, Хартвиг и аспиранты Стивен Ханна и Ричард Дж. "RJ" Конк выдвинули идею разрыва двух углерод-водородных связей на полиэтилене с помощью катализатора - первоначально иридиевого, а позже платино-оловянного и платино-цинковые катализаторы - для создания реакционноспособной углерод-углеродной двойной связи, которая служила бы ахиллесовой пятой. С помощью этой щели в броне углерод-водородных связей полимера они могли бы затем распутать полимерную цепь путем реакции с этиленом и двумя дополнительными катализаторами, которые взаимодействуют совместно.

"Мы берем насыщенный углеводород - все углерод-углеродные одинарные связи - и удаляем несколько молекул водорода из полимера, чтобы образовать углерод-углеродные двойные связи, которые более реакционноспособны, чем углерод-углеродные одинарные связи. Несколько человек смотрели на этот процесс, но никто не добился этого на настоящем полимере", - сказал Хартвиг. "Как только у вас получается двойная связь углерод-углерод, вы используете реакцию, называемую олефиновым метатезисом, которая была предметом Нобелевской премии в 2005 году, с этиленом для расщепления двойной связи углерод-углерод. Теперь вы взяли этот длинноцепочечный полимер и разбили его на более мелкие кусочки, которые содержат двойную связь углерод-углерод на конце."

Добавление второго катализатора, изготовленного из палладия, позволило многократно отсекать молекулы пропилена (трехуглеродные молекулы) от реакционноспособного конца. Результат: 80% полиэтилена было восстановлено до пропилена.

"Как только у нас получается длинная цепь с двойной углерод-углеродной связью на конце, наш катализатор берет эту двойную углерод-углеродную связь и изомеризует ее, добавляя один углерод. Этилен вступает в реакцию с этим исходным изомеризованным продуктом, образуя пропилен и почти идентичный, только более короткий, полимер с двойной связью на конце. А потом он делает то же самое снова и снова. Он делает один шаг вперед и расщепляется; входит, расщепляет; входит и расщепляет до тех пор, пока весь полимер не будет разрезан на трехуглеродные кусочки. С одного конца цепи он просто пережевывает цепь и выплевывает пропилены до тех пор, пока цепи не останется совсем."

Реакции проводились в жидком растворе с растворимыми, или "гомогенными", катализаторами. В настоящее время исследователи работают над процессом с использованием нерастворимых, или "гетерогенных", катализаторов для достижения того же результата, поскольку твердые катализаторы легче использовать повторно.

Группа продемонстрировала, что этот процесс работает с различными полиэтиленовыми пластиками, включая полупрозрачные бутылки из-под молока, непрозрачные бутылки из-под шампуня, полиэтиленовую упаковку и твердые черные пластиковые крышки, которые соединяют алюминиевые банки с четырьмя упаковками. Все они были эффективно восстановлены до пропилена, причем необходимо было удалить только красящие вещества.

Лаборатория Хартвига также недавно использовала инновационный катализ для создания процесса, который превращает полиэтиленовые пакеты в клеи, еще один ценный продукт. Вместе эти новые процессы могли бы сократить количество пластиковых отходов, которые в конечном итоге попадают на свалки, в реки и, в конечном счете, в океаны.

"Оба они далеки от коммерциализации", - сказал он. "Но легко понять, как этот новый процесс позволит превратить наибольшее количество пластиковых отходов в огромное химическое сырье - разумеется, с дальнейшим развитием".

Другими соавторами статьи являются Джейк Ши, Никодемо Чичча, Лян Ци, Брэндон Блумер, Штеффен Хойвел, Тайлер Уиллс и профессор химической и биомолекулярной инженерии Алексис Белл из Калифорнийского университета в Беркли, а также Джи Янг и научный сотрудник Джи Су из Лаборатории Беркли.