Пиролиз включает нагрев пластика в бескислородной среде, в результате чего материалы разрушаются и в процессе образуется новое жидкое или газовое топливо. Однако, по словам ученых, текущие коммерческие приложения либо работают ниже необходимого уровня, либо могут работать только с определенными типами пластмасс.

"У нас очень ограниченное представление о пиролизе смешанных пластмасс", - сказал Хилал Эзги Тораман, доцент кафедры энергетики и химической инженерии в Пенсильванском государственном университете. "Понимание эффектов взаимодействия между различными полимерами во время глубокой переработки очень важно, пока мы пытаемся разработать технологии, которые могут перерабатывать настоящие отходы пластмасс".

Ученые провели совместный пиролиз двух наиболее распространенных видов пластика, полиэтилена низкой плотности (LDPE) и полиэтилентерефталата (PET), наряду с различными катализаторами, чтобы изучить эффекты взаимодействия между пластмассами. Они обнаружили, что один катализатор может быть хорошим кандидатом для превращения смешанных отходов ПВД и ПЭТ в ценное жидкое топливо. Катализаторы - это материалы, добавляемые при пиролизе, которые могут способствовать процессу, например, вызывать избирательное разрушение пластика при более низких температурах.

"Этот тип работы может позволить нам предоставить рекомендации или предложения для промышленности", - сказал Тораман, который является научным сотрудником факультета Вирджинии С. и Филипа Л. Уокеров-младших в департаменте энергетики и минерального машиностроения семьи Джона и Вилли Леоне в Пенсильванском государственном университете. "Важно выяснить, какой синергетический эффект существует между этими материалами при глубокой переработке и для каких видов применения они могут подойти, прежде чем расширять масштабы".

Пластмассы, ПВД и ПЭТ, обычно используются в упаковке для пищевых продуктов, которая часто состоит из слоев различных пластиковых материалов, разработанных для сохранения свежести и безопасности продуктов, но также трудно перерабатываемых традиционными способами, поскольку слои должны быть разделены, что является дорогостоящим процессом.

"Если вы хотите переработать их, вам нужно в основном разделить эти слои и, возможно, что-то сделать с отдельными потоками", - сказал Тораман. "Но пиролиз может справиться с этим, так что это очень важный вариант. Нелегко найти такую технику, которая могла бы принять эту беспорядочную сложность этих различных пластиковых материалов ".

По словам ученых, первый шаг к разработке новых коммерческих процессов пиролиза зависит от лучшего механистического понимания того, как разлагаются и взаимодействуют динамические смеси пластиковых отходов.

Ученые провели пиролиз ПВД и ПЭТ по отдельности и вместе и наблюдали эффекты взаимодействия между двумя полимерами во время испытаний с каждым из трех катализаторов, которые они использовали. Ученые сообщили о своих выводах в журнале Химия реакций и инженерия.

"Мы увидели продукты, которые могут быть очень хорошими кандидатами для применения в бензине", - сказал Тораман.

Команда также разработала кинетическую модель, которая смогла точно смоделировать эффекты взаимодействия, наблюдаемые при совместном пиролизе ПВД и ПЭТ с каждым из катализаторов. Кинетические модели пытаются предсказать поведение системы и важны для лучшего понимания того, почему происходят реакции.

Исследовательская группа Торамана сосредоточена на проведении экспериментов в четко определенных и хорошо контролируемых условиях, чтобы понять эффекты взаимодействия при глубокой переработке смешанных пластмасс и соответствующие механизмы реакции.

"Систематические и фундаментальные исследования по пониманию путей реакции и разработке кинетических моделей являются первыми шагами к оптимизации процесса", - сказал Тораман. "Если у нас нет правильных кинетических моделей, точных механизмов реакции, то, если мы будем масштабироваться для пилотных установок или крупномасштабных операций, результаты не будут точными".

Тораман сказала, что она надеется, что исследование приведет к повышению экологической ответственности при извлечении, переработке и использовании ресурсов Земли.

Глобальный анализ всех пластмасс массового производства показал, что, по оценкам, на сегодняшний день в мире производится в общей сложности 8,3 миллиарда метрических тонн новых пластмасс. По состоянию на 2015 год 79% пластиковых отходов, которые содержат множество опасных химических веществ, были оставлены накапливаться на свалках или в естественной среде, при этом примерно 12% сжигалось и только 9% перерабатывалось.

"Что бы мы ни делали, это лучше, чем ничего не делать", - сказал Тораман. "Нам нужно снова включить эти пластмассы в экономику, чтобы создать экономику замкнутого цикла, иначе они просто окажутся на свалках, вымывая потенциально токсичные вещества в почву и воду или загрязняя океаны. Так что делать что-то, находить ценность - это лучше, чем ничего. Пластмассы в настоящее время считаются отходами, потому что мы относимся к этим ценным ресурсам как к отходам".

Другими исследователями штата Пенсильвания, участвовавшими в этом проекте, были Шон Тимоти Оконски, докторант кафедры химической инженерии, и Дж. В. Джаярама Кришна, постдокторант кафедры энергетики и минеральной инженерии семьи Джона и Вилли Леоне.

Работа основана на гранте штата Пенсильвания в размере 3,4 миллиона долларов, полученном от Института ПЕРЕДЕЛКИ, государственно-частного партнерства, созданного Министерством энергетики Соединенных Штатов, для финансирования исследований, направленных на неэффективные методы, используемые в настоящее время для переработки и повторного использования смешанных пластиковых отходов.

Управление Министерства энергетики по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии и Зеленая премия Лаборатории энергетики и экологической устойчивости штата Пенсильвания также поддержали эту работу.